MESFET

MESFET signifca de metal -semiconductor de eecto de campo transistor. Es muy similar a un JFET en la construcción y terminología. La dierencia es que en lugar de utiliar una unión pn para una puerta ! se utilia un Sc"ott#y $metal -semiconductor % de unión. MESFETs generalmente se construyen en las tecnologías de semiconductores compuestos que carecen de pasi&ación de alta calidad de la superfcie ! tales como 'a(s ! )n* ! o Si+ ! y son m,s r,pidos pero m,s caros que los  JFET o MSFET asados asados en silicio . MESFET MESFETs s de producción producción son operado operados s "asta apro/imadamente 01 '2 ! 3 4 5 y se utilian com6nmente para comunicaciones de recuencia de microondas y radar. Los primeros MESFETs se desarrollaron en 4788 ! y un a9o despu:s su rendimiento microondas ;F e/tremadamente alta recuencia se demostró . 3 < 5 ( partir de un circuito de la perspecti&a del dise9o digital! cada &e es m,s diícil de usar MESFETs como ase para circuitos integrados digitales como la escala de integración aumenta! en comparación con la aricación de silicio asado en +MS .

(rquitectura Funcional El MESFET difere de la FET de puerta aislada com6n o MSFET en que no "ay " ay aislante dea=o de la puerta sore la región de conmutación acti&o. Esto implica que la puerta dee MESFET ! en el modo de transistor ! estar sesgada de tal manera que uno no tiene un diodo de metal -semiconductor - semiconductor -or>ard lle&ar a cao en lugar de una ona de agotamiento in&ertido sesgada controlar el canal suyacente. Mientras que esta restricción in"ie ciertas posiilidades de circuito analógico ! MESFET y dispositi&os digitales uncionan raonalemente ien si se mantiene dentro de los confnes de los límites de dise9o . El aspecto m,s crítico del dise9o es la medida de metal de puerta sore la región de conmutación. En general! el m,s estrec"o de la puerta modulada canal portador el me=or mane=o de la recuencia de las capacidades ! en general. El espaciamiento de la uente y el drena=e con respecto a la puerta! y la e/tensión lateral de la puerta son importantes aunque los par,metros de dise9o algo menos críticos . MESFET capacidad de mane=o de corriente me=ora a medida que la puerta se alarga lateralmente ! manteniendo la región constante acti&a ! sin emargo est, limitado por desplaamiento de ase a lo largo de la puerta deido al eecto de línea de transmisión. +omo resultado la mayoría de los MESFET de producción utilian una construido capa superior de metal de a=a resistencia en la puerta ! a menudo produciendo un perfl en orma de "ongo en sección trans&ersal.

7.1

El arseniuro de galio (GaAs)

La mayoría de los transistore transistoress de efecto efecto campo están están fabricado fabricadoss de silicio por las excelentes excelentes  propiedades de este este material y por su abundancia en la naturaleza. naturaleza. Sin embargo, también también se utilizan utilizan materiales compuestos en su fabricación para utilizarlos en ciertas aplicaciones como alta velocidad, alta frecuencia, o en situacion situaciones es donde se someten a los circuitos circuitos a condicione condicioness de operación operación extremas extremas,, como alta y bajas temperaturas y exposición a la radiación. La tecnología de materiales compuestos está menos desarrollada ue la del silicio por lo ue se  prefiere este material en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, el !a"s y otros materiales compuestos  presentan ciertas ventajas sobre el silicio. #ntre las ventajas $ay ue citar %a& ue es un material de anc$o de  banda pro$ibida directo, con lo ue es preferible en aplicaciones optoelectrónicas, %b& los electrones en este material tienen mayor movilidad, con lo ue se obtienen resistencias parásitas menores, proporciona una mayor velocidad al funcionamiento del dispositivo y un aumento de las frecuencias de operación, %c& la  posibilidad de utilizar sustratos semiaislantes semiaislantes permite a este material usarlo como base de los circuitos integrados monolíticos monolíticos de microondas y ondas milimétricas. milimétricas. #ntre las desventajas ue presenta este material material frente al silicio $ay ue mencionar %a& una conductividad térmica menor, con los problemas ue esto conlleva a la $ora de eliminar la potencia disipada en los circuitos, %b& ausencia de unóxido de calidad y %c& los mayores costes de producción.

7.2

Estructura del MESFET

#l transistor de efecto campo basado en materiales compuestos más importante es el transistor de efecto campo metal semiconductor %'#S(#)&. #l '#S(#) de !a"s %(igura *.+.& consta de un sustrato semiaislante o ligeramente dopado tipo -. #ncima #ncima de este semiconductor $ay otra capa conductora tipo  %canal& en la ue se conectan tres terminales/ los contactos ó$micos de fuente y drenador y un contacto Sc$ott0y ue act1a como puerta. Se pueden encontrar también canales

tipo -, sin embargo, son menos frecuentes puesto ue la movilidad de los $uecos es inferior a la de los electrones. #ntre fuente y drenador se $ará circular una corriente mediante una tensión aplicada entre estos terminales. #sta corriente se  puede controlar a su vez mediante una tensión aplicada al terminal de puerta. #l control de esta corriente se realiza gracias a la variación de la zona de carga espacial ue aparece en el canal debajo de la puerta. #sta región de vaciamiento aumenta con el incremento de la tensión aplicada entre puerta y fuente, V GS .

Figura 7.2.1 #structura de un '#S(#) y detalle de la modificación de la zona de carga espacial para distintas tensiones aplicadas entre los contactos de puerta y fuente.

-uede ocurrir ue al ir aumentando esta tensión se agote por completo el canal, anulándose la corriente entre drenador y fuente para tensiones superiores. " la tensión V GS  ue agota el canal se le conoce con el nombre de tensión umbral V t , al igual ue se definió en el '2S(#). -ara calcularla basta con igualar el espesor de la zona de carga espacial h, ue viene dado por  ,

%*.&

con el espesor del canal a %(igura *.+.+&. 3espejando de esa igualdad la tensión umbral se obtiene/ ,

%*.+&

donde N  D es la concentración de impurezas donadoras. Se suele definir también la tensión de agotamiento o 4pinc$5off6, V  p, como/ %*.7&

#l espesor de la zona de carga espacial se puede rescribir/ .

%*.8&

La unión metal semiconductor está polarizada en inverso para aislar el terminal de puerta de los otros terminales. "l modificar la zona de carga espacial con variaciones de la tensión V GS  aparecen efectos capacitivos entre la puerta y el canal, comportamiento análogo al resto de los transistores de efecto campo. Las diferencias con el resto de transistores de efecto campo estriban en %i& la localización del canal, %ii& cómo se consigue el aislamiento de puerta y %iii& el tipo de material utilizado.

canal

Figura 7.2.2 3efinición del espesor del h en un '#S(#).

El Transistor de Efecto Campo Metal-semic. Índice 7-1

El arseniuro de galio

7-2

Estructura del MESFET

7-3

Principio de operación

7-4

Circuito equivalente de pequea seal

Objetivos 















Presentar otros !ateriales se!iconductores e!pleados en aplicaciones electrónicas particulares" #escri$ir la estructura del MESFET % su !odo de operación" Presentar distintos !odelos que tienen co!o &in el llegar a una e'presión anal(tica para la corriente de drenador" Presentar otro !odelo e!pleado en diseo asistido por ordenador que proporciona una relación )-* v+lida para cualquier valor de la tensión" ,naliar có!o se !odi&ican las e'presiones de la corriente cuando se tienen en cuenta otros e&ectos co!o las resistencias par+sitas o la corriente de puerta a trav.s del contacto Sc/ott0%" Proponer un !.todo para e'traer los par+!etros que aparecen en las caracter(sticas )-* a partir de !edidas e'peri!entales" Presentar un !odelo de pequea seal v+lido para !u% altas &recuencias rango donde es especial!ente til este dispositivo" Mostrar ee!plos de aplicación de este !odelo"

Palabras Clave •

a,s"

•

Contacto Sc/ott0% de puerta"

•

5ona de carga espacial"

•

Tensión de agota!iento"

•

Conductividad del canal"

•

Modelo de canal gradual"

•

Modelo de dos tra!os para la velocidad de los electrones"

•

Modelo de Curtice"

•

6esistencias par+sitas"

7.1

•

Corriente de puerta"

•

E'tracción de par+!etros"

•

Modelo de pequea seal"

El arseniuro de galio (GaAs)

La mayoría de los transistores de eecto campo est,n aricados de silicio por las e/celentes propiedades de este material y por su aundancia en la naturalea. Sin emargo! tami:n se utilian materiales compuestos en su aricación para utiliarlos en ciertas aplicaciones como alta &elocidad! alta recuencia! o en situaciones donde se someten a los circuitos a condiciones de operación e/tremas! como alta y a=as temperaturas y e/posición a la radiación. La tecnología de materiales compuestos est, menos desarrollada que la del silicio por lo que se prefere este material en la mayoría de las aplicaciones. Sin emargo! el 'a(s y otros materiales compuestos presentan ciertas &enta=as sore el silicio. Entre las &enta=as "ay que citar $a% que es un material de anc"o de anda pro"iida directo! con lo que es preerile en aplicaciones optoelectrónicas! $% los electrones en este material tienen mayor mo&ilidad! con lo que se otienen resistencias par,sitas menores! proporciona una mayor &elocidad al uncionamiento del dispositi&o y un aumento de las recuencias de operación! $c% la posiilidad de utiliar sustratos semiaislantes permite a este material usarlo como ase de los circuitos integrados monolíticos de microondas y ondas milim:tricas. Entre las des&enta=as que presenta este material rente al silicio "ay que mencionar $a% una conducti&idad t:rmica menor! con los prolemas que esto conlle&a a la "ora de eliminar la potencia disipada en los circuitos! $% ausencia de unó/ido de calidad y $c% los mayores costes de producción.

7.2

Estructura del MESFET

Transistor de efecto campo metal semiconductor:

La corriente que circula entre fuente y drenador se controla modificando el espesor del canal. A semejanza del JFET, esto se consigue variando la zona de carga espacial en un semiconductor. La diferencia con el JFET estriba en que, en lugar de uniones pn, la puerta del transistor la constituye una unin entre un metal y un semiconductor.

El transistor de eecto campo asado en materiales compuestos m,s importante es el transistor de eecto campo metal semiconductor $MESFET%. El MESFET de 'a(s $Figura ?.<.4% consta de un sustrato semiaislante o ligeramente dopado tipo *. Encima de este semiconductor "ay otra capa conductora tipo @ $canal% en la que se conectan tres terminalesA los contactos ó"micos de uente y drenador y un contacto Sc"ott#y que act6a como puerta. Se pueden encontrar tami:n canales tipo *! sin emargo! son menos recuentes puesto que la mo&ilidad de los "uecos es inerior a la de los electrones. Entre uente y drenador se "ar, circular una corriente mediante una tensión aplicada entre estos terminales. Esta corriente se puede controlar a su &e mediante una tensión aplicada al terminal de puerta. El control de esta corriente se realia gracias a la &ariación de la ona de carga espacial que aparece en el canal dea=o de la puerta. Esta región de &aciamiento aumenta con el incremento de la tensión aplicada entre puerta y uente! V GS .

Figura 7.2.1 #structura de un '#S(#) y detalle de la modificación de la zona de carga espacial para distintas tensiones aplicadas entre los contactos de puerta y fuente.

*uede ocurrir que al ir aumentando esta tensión se agote por completo el canal! anul,ndose la corriente entre drenador y uente para tensiones superiores. ( la tensión V GS que agota el canal se le conoce con el nomre de tensión umral V t ! al igual que se defnió en el MSFET. *ara calcularla asta con igualar el espesor de la ona de carga espacial h! que &iene dado por

%*.& ,

con el espesor del canal a $Figura ?.<.<%. Bespe=ando de esa igualdad la tensión umral se otieneA

%*.+& ,

donde ND  es la concentración de impureas donadoras. Se suele defnir tami:n la tensión de agotamiento o Cpinc"-oD! V  p! comoA

%*.7&

El espesor de la ona de carga espacial se puede rescriirA

%*.8& .

La unión metal semiconductor est, polariada en in&erso para aislar el terminal de puerta de los otros terminales. (l modifcar la ona de carga espacial con &ariaciones de la tensión V GS aparecen eectos capaciti&os entre la puerta y el canal! comportamiento an,logo al resto de los transistores de eecto campo. Las dierencias con el resto de transistores de eecto campo estrian en $i% la localiación del canal! $ii% cómo se consigue el aislamiento de puerta y $iii% el tipo de material utiliado.

Figura 7.2.2 3efinición del espesor del canal h en un '#S(#).

7.3

Principio de operación

La conductancia que presentaría el canal tipo @ sin tener en cuenta la ona de carga espacial seríaA

%*.9&

,

donde L es la longitud del canal y W   su proundidad. La conducti&idad real de este canal incluyendo los eectos de la ona de carga espacial seríaA

%*.:&

.

+uando la ona de carga espacial ocupe todo el canal "ar, nula.

la conducti&idad se

+uando! adem,s de aplicar una tensión a la puerta! la tensión V DS es distinta de cero la dierencia de potencial entre puerta y un punto  x  del canal &ariar, a lo largo del mismo. Se dee di&idir el canal en elementos de longitud dx ! cada uno de los cuales presentar, un espesor % y una conducti&idad dierentes entre sí $Figura ?..4%. El espesor de la ona de carga espacial en un punto  x  esA

%*.*& ,

donde es el potencial del canal en ese punto reerido al terminal de uente. Este procedimiento se conoce como apro/imación de canal gradual! y es el que se "a &enido

usando para calcular la característica corriente tensión en todos los transistores de eecto campo. El primero que usó este m:todo ue S"oc#ley en su traa=o de 471< CGn transistor de eecto campo unipolar 3 3455.

Figura 7.3.1 ;ariación del espesor del canal a5h en un '#S(#) por efecto de la tensión V  DS  .

La resistencia de ese elemento de canal se puede escriir comoA

%*.<& ,

con lo ue la caída de potencial en este peue=o segmento será/

%*.>& .

)ntegrando esta ecuación entre H y L se otiene la relación entre la corriente que circula por el canal con las tensiones aplicadas entre los terminales del transistorA

%*.?& .

Esta apro/imación es sólo &,lida mientras no apareca el agotamiento del canal en la región de drenador! es decir! mientras no se cumpla . ( partir de ese punto la corriente tomaría un &alor constante que se otiene imponiendo la condición de agotamiento

A

%*.& .

Si quisi:ramos mantener una corriente fnita en un canal de espesor nulo oligaría a traa=ar con una &elocidad de los electrones infnita o con un campo el:ctrico infnito. *ara solucionar este prolema se puede "acer uso del "ec"o que la &elocidad de deri&a de los electrones se satura para campos ele&ados! como se oser&a en la Figura ?..<.

Figura 7.3.2 @elación entre la velocidad de los electrones en !a"s y el campo electrico aplicado al semiconductor.

7.3.1

Modelo de dos tramos de la velocidad

En los transistores de eecto campo de 'a(s actuales es normal que se supere el campo el:ctrico crítico! Ec! a partir del cual se satura la &elocidad. En consecuencia! &amos a considerar que la e/presión de la corriente $?.4H% es &,lida para tensiones V DSineriores a V DSsat ! donde V DSsat   se defne como la dierencia de potencial entre drenador y uente a la cual el campo el:ctrico en el drenador campo crítico Ec.

se iguala al

El campo el:ctrico lateral se puede otener de la siguiente relaciónA

%*.+&

El campo es m,/imo en el e/tremo de drenador!

A

%*.7&

)gualando el campo en el e/tremo de drenador al campo crítico

se

tiene el inicio de la región de saturación . E&aluando la e/presión de la corriente $?.4H% para V DSsat  y "aciendo uso de las defnicionesA

%*.8& ,

se puede escriir la ecuación $?.4% de la ormaA

%*.9& ,

de donde se puede e/traer el &alor de V DSsat . *ara γ II4 la solución de esta ecuación se puede apro/imar por id:ntico al modelo de canal gradual. *ara

se puede apro/imar

!

.

 Tami:n se puede resol&er num:ricamente la ecuación $?.41% y otener una órmula de interpolación. S"ur 3 3<55 demostró que dic"a órmula se podía apro/imar porA

%*.:& .

La corriente de saturación &endr, dada porA

%*.*&

En el caso límite $dispositi&o largo con peque9a tensión de estrangulamiento% la corriente de saturación se reduce a la otenida con el modelo de canal gradual $?.44%. En el otro e/tremo! γ  4 $puerta corta o gran tensión de estrangulamiento%! se puede apro/imar la corriente de saturación $?.4?% porA

%*.<&

.

*ara &alores intermedios S"ur 3355 propuso una ormula de interpolaciónA

%*.>& ,

ue también se puede escribir como/

%*.+?&

,

donde

%*.+& .

Ejemplo 7.1 +onsiderar un MESFET de 'a(s con los siguientes par,metrosA ψ 0 K H.8 ! ND K ×4H  cm-! W  K
So l u ci ó n.

Con est osdat ossepuedecal cul arl at ensi ón deagot ami ent oV quet omaelval orde  p, 3 2. 069 V,y elcampo cr í t i co 2. 5×10  V/cm.Con elmodel o de canalgr aduall ar eg i ón de sat ur aci óncomenzar í apara

Sil ar el aci ón vel oci dadcampoel éct ri col aapr oxi mamospordost r amosl i neal escomo se obs er v a en l aFi gur a 7. 3. 2e i gual amos el campo E( e l a expresi ón ( 7. 13)a L) d 3 2. 5×10 V/cm s e pue de obt e ne r e l v al or de l a t e ns i ón VDS que c umpl e e s t as c o ndi c i o ne s :VDSsat  =0. 223 V.Sie val uamosEc×L  s eobt i ene0. 25V.Sepuedecompro barque

paraEc×L>>V s e cumpl eVDSsat=Vty en elcas oEc×L<
En es t eej empl oI 3. 547 mA c on l oquebsat  =0. 037µm.Se puedeco mpar are s t e DSsat=  v al orc one le s pe s orde lc anale nl ar e gi óndef ue nt e :0. 046 µm ( Fi g ur a7. 3. 4) .

Figura 7.3.3 @epresentación de las curvas I  D−V  DS  con el modelo de canal gradual y admitiendo la saturación de la velocidad de los electrones en el canal.

Figura 7.3.4 #stimación del espesor del canal en las regiones de fuente y drenador.

7.3.2

Modelo de Curtice

La conductancia del canal para &alores a=os de la tensión V DS! se puede otener deri&ando la e/presión de la corriente $?.4H% con respecto a V DS manteniendo constante V GSA

%*.++& .

El modelo del dispositi&o que se emplea en dise9o asistido por ordenador dee reproducir las cur&as )- en todo el rango de tensiones! no solo en saturación. +urtice 33055 propuso una e/presión que interpolaa la corriente en todo el rango de tensionesA

,

%*.+7&

donde

%*.+8&

,

%*.+9& ,

η   es un par,metro que se elige de manera que cuando V DS →H el &alor de la corriente

de esta 6ltima ecuación con&er=a al &alor de la corriente del modelo de canal gradualA

%*.+:&

y λ   es un par,metro empírico que da idea de la conductancia de salida y reNe=a la modulación de la longitud del canal. 7.3.3

Eectos !ar"sitos

Las resistencias serie de uente y drenador $Figura ?..1% =uegan un papel importante en las características )- del transistor. La resistencia serie de uente representa la resistencia total del contacto ó"mico de uente y la resistencia de la ona neutra del semiconductor entre el contacto de uente y la parte acti&a del canal. La resistencia serie de drenador reNe=a o mismo que la de uente pero reerida a la región de drenador.

Figura 7.3.5 @esistencias serie en los tres terminales del transistor.

Las dierencias de potencial entre los terminales e/ternos se pueden relacionar con las del dispositi&o intrínsecoA

%*.+*&

*ara &alores V DS  V DSsat  podemos escriir la corriente de drenador

%*.+<&

,

donde gch es la conductancia del canal ecuaciones $?.
e/trínseca.

+ominando

las

%*.+>& .

Bespe=ando el &alor de V GS de $?.
%*.7?& .

 Teniendo en cuenta estos elementos e/trínsecos se puede rescriir la relación corriente tensión $?.<%A

,

%*.7&

%*.7+& .

2asta a"ora se "a considerado que la corriente que circula por la puerta es despreciale pues la unión Sc"ott#y est, polariada en in&ersa. Sin emargo! "ay

situaciones en las que puede ser 6til "acer circular corriente por la puerta! en particular cuando se est, interesado en e/traer par,metros del dispositi&o. *ara tener en cuenta estas situaciones se suele modelar la corriente de puerta mediante la cominación de dos diodos. Gno de ellos est, conectado entre el contacto de puerta y el de uente y el otro entre el contacto de puerta y drenador $Figura ?..8%. Ello daría lugar a una corriente de puerta de &alorA

%*.77&

Figura 7.3.6 Anclusión de las uniones Sc$ott0y en el modelo del transistor.

7.3.#

E$tracci%n de !ar"metros del MESFET

Las ecuaciones estudiadas en el modelo de +urtice =unto a las correcciones por los elementos par,sitos orman un con=unto completo de e/presiones que se emplean en el modelo analítico del MESFET usado en el simulador de circuitos de 'a(s GMS*)+E. Los par,metros del modelo est,n relacionados con la geometría! el dopado y los par,metros del material tales como la &elocidad de saturación y la mo&ilidad de a=o campo. Los par,metros de un MESFET real se pueden e/traer a partir de medidas e/perimentales corriente-tensión. •

El par,metro λ  se puede e/traer de una cur&a ID −V DS para un &alor constante de V G’S’ .

•

Las corrientes de saturación se e/trapolan a V DS KH para todos los &alores de V G’S’ ! considerando conocido el &alor de λ .

•

*ara otener RS! se representa ID4< en saturación en unción de $ V G’S’  − IDSRS% para dierentes &alores de RS. Esta representación ser, una línea recta si se "a elegido el &alor adecuado para RS. Se puede tomar como criterio el que el que el coefciente de correlación sea mayor que un &alor determinado.

•

Be la pendiente de esta recta y del corte con el e=e de acisas se otienen β  y V T   respecti&amente.

•

El potencial arrera ψ 0 se determina a partir de las características )- de la puerta.

•

El espesor del canal y el dopado se pueden e/traer cominando $?.% y la dosis de implantación $producto

•

%.

+onsiderando que las resistencias RD y RS son iguales se puede otener la resistencia intrínseca del canal Ri a partir de la pendiente de la cur&a ID −V DS en la región lineal para V GS ele&adaA

%*.78&

,

donde Ri se relaciona con la tensión de puerta

A

%*.79& . • •

7.

Be esta ecuación se puede otener la mo&ilidad de los electrones  µ n. *osteriormente se puede calcular la &elocidad de saturación despe=,ndola de la defnición de β .

!ircuito e"ui#alente de pe"ue$a se$al

Los transistores de eecto campo! en particular los MESFETs de 'a(s! son 6tiles como amplifcadores de a=o ruido! como generadores de potencia con un alto rendimiento! y en aplicaciones lógicas de alta &elocidad. El modelo equi&alente del transistor se muestra en la Figura ?.0.4! donde se sit6a cada elemento en la estructura real.

Figura 7.4.1 Localización de los elementos del modelo de peue=a se=al en el '#S(#).

Figura 7.4.2 'odelo de peue=a se=al del '#S(#).

El MESFET $Figura ?.0.<% se puede di&idir en dos partesA el dispositi&o intrínseco y los elementos e/trínsecos o par,sitos. La parte intrínseca representa la ona acti&a del dispositi&o! aquella cuyas características dependen de la tensión aplicada a los terminales. El uncionamiento del dispositi&o intrínseco es el que se acaa de descriir en el apartado anterior e incluye la ona acti&a del canal. Los elementos e/trínsecos no son necesarios para que el dispositi&o pueda operar con normalidad y no &arían con las condiciones de polariación. Sin emargo! en aplicaciones de alta recuencia y alta &elocidad el eecto de las partes reacti&as del MESFET puede deteriorar el uncionamiento del mismo por lo que "ay que incluirlos en el modelo equi&alente. El modelo est, asado en la estructura real del dispositi&o y es &,lido "asta la región de microondas $&arias decenas de giga"ercios%. +ada elemento reNe=a las peculiaridades de alguna región del dispositi&o. Cgs y Cgd representan el almacenamiento de carga en las onas de carga espacial de las regiones puerta-uente y puerta-drenador. La resistencia RS representa la resistencia total del contacto ó"mico de uente y la resistencia de la ona neutra del semiconductor entre el contacto de uente y la parte acti&a del canal. La resistencia RD igual que la de uente pero reerida a este terminal. LG! LS y LD representan las inductancias de puerta! uente y drenador respecti&amente. RG representa la resistencia de la metaliación de puerta. Ri es la resistencia del canal entre puerta y uente. Los &alores de los elementos e/trínsecos e intrínsecos dependen de la estructura del canal! de la concentración de impureas! del tama9o del dispositi&o! de su Clayout y de los procesos de aricación. Los principales par,metros intrínsecos son la transconductancia gm! la capacidad de entrada Cgs! la resistencia de salida r ds y la capacidad de realimentación Cgd. Estos par,metros dependen de las tensiones de polariación del dispositi&o. El retardo τ  de la corriente de drenador o de la transconductancia respecto a la se9al de entrada reNe=a el tiempo que necesitan los electrones en atra&esar la ona acti&a del canal. Es el tiempo empleado para el intercamio de carga con la ona de &aciamiento en la región de saturación del canal. Es cero "asta que se alcana la &elocidad de saturación. Se espera que aumente con la tensión de drenador y disminuya cuando aumente la tensión de puerta. 7.#.1

Estimaci%n de los elementos del circuito •

 TransconductanciaA Beri&ando la e/presión de la corriente de drenador en la ona lineal $?.4H% $otenida del modelo de canal gradual% se otiene para este par,metroA

%*.7:&

*ara &alores a=os de la tensión de drenador la corriente de drenador y la transconductancia se pueden apro/imar por las siguientes e/presionesA

%*.7*&

Beri&ando la e/presión de la corriente en saturación $?.44% se otiene la transconductancia en esta regiónA

%*.7<& . •

+apacidadesA Las cargas almacenadas en la estructura dan lugar a eectos capaciti&os. La ona de carga espacial de la región de puerta &aría en espesor a lo largo del canal por lo que el acoplamiento capaciti&o entre el metal de puerta y el semiconductor se encuentra distriuido. En la pr,ctica esta capacidad se puede representar mediante dos capacidades asociadas a las uniones Sc"ott#y de drenador-puerta y uente-puerta.

%*.7>&

donde

%*.8?& . •

;esistencia intrínseca del canal entre puerta y uente!

.

%*.8& . •

;esistencia asociada a la región neutra entre los contactos de uente y puerta Ri $Figura ?.0.%. (dmitiendo que la longitud de esta región es igual a la mitad de la longitud del canal podemos escriirA

%*.8+& .

Figura 7.4.3 @esistencia asociada a la región neutra entre los contactos de fuente y puerta.

•

+apacidad drenador uente Cds  $Figura ?.0.0%A reNe=a el acoplo capaciti&o entre los contactos de uente y drenador a tra&:s del sustrato semiaislante

.

%*.87&

Figura 7.4.4 Bapacidad asociada al acoplo entre los contactos de drenador y fuente a través del sustrato.

Cn circuito simplificado ue permite predecir de forma muy acertada el funcionamiento de los transistores de efecto campo de !a"s en circuitos de microondas como amplificadores y osciladores se muestra en la Figura 7.4.5. #n él no aparecen las resistencias de los contactos de fuente, drenador y puerta así como la capacidad drenador puerta.

Figura 7.4.5 'odelo de peue=a se=al simplificado para el '#S(#).

Los par,metros de un MESFET típico suelen tomar &aloresA Cgs KH. pF! Cds KH.H1 pF! gm K0H mS! r ds K8HH Ω! Ri K<1 Ω.

los

siguientes

+omo aplicación de este circuito equi&alente se puede calcular la ganancia disponile m,/ima del MESFET! que se defne como la ganancia de potencia m,/ima que podemos conseguir a cualquier recuencia admitiendo que la entrada y salidas del circuito est,n adaptadas. *ara ello se considera el circuito de la Figura ?.0.8.

Figura 7.4.6 'odelo de peue=a se=al del '#S(#) excitado con una fuente de tensión a la entrada y cargado en su puerta de salida con una carga Z o.

En primer lugar se calcula el &alor de las impedancias  Z s y Z o que permiten adaptar la entrada y la salidaA

%*.88&

Gna &e conseguido esto se calculan las potencias entregadas a la entrada del dispositi&o y a la carga  Z oA

%*.89&

Su cociente proporciona la ganancia de potencia m,/imaA

%*.8:& .

)ntroduciendo en esta ecuación las e/presiones de los distintos par,metros que en ella aparecen $?.?%-$?.0<% se tiene que la ganancia m,/ima es proporcional a ND< e

in&ersamente proporcional al producto . Esto indica que si queremos aumentar el rango de operación de este dispositi&o deemos disminuir la longitud del canal o aumentar el dopado del semiconductor. Las longitudes de canal que se emplean "oy en día son ineriores a las H.1 µm! &alor que ronda el límite inerior para la otolitograía óptica. +on otras t:cnicas como la litograía por "aces de electrones se pueden conseguir longitudes ineriores a las H.< µm. +on respecto al aumento de las impureas del canal semiconductor :stas incrementan los mecanismos de dispersión por impureas ioniadas! disminuyendo la mo&ilidad! por lo que no es una solución acertada el aumento indiscriminado de este par,metro.

En este capítulo se "a introducido al transistor de eecto campo metal semiconductor $MESFET%. Se "a "alado de la importancia del material sore el que normalmente se construye este dispositi&o $'a(s % y de las raones por las que se utilia. Se "a descrito la estructura y el uncionamiento ,sico. Se "an estudiado dierentes modelos que tienen como o=eto el llegar a una e/presión para la corriente de drenador en unción de las tensiones aplicadas a los terminales. Se "a a9adido comple=idad a estas e/presiones al introducir otros eectos como las resistencias par,sitas o la corriente de puerta. Se "a propuesto un m:todo para e/traer los par,metros característicos del dispositi&o. Finalmente se "a presentado el modelo de peque9a se9al y se "a estimado el &alor de los par,metros que en :l aparecen.

4.

+onsiderando el circuito con un MESFET de la Figura ?.0.8 calcular la ganancia de potencia disponile m,/ima y la ganancia en potencia en caso de que la impedancia de uente y carga tomen el &alor  Z S K Z o K1H Ω. +alcular el cuadrado de la ganancia en corriente en cortocircuito. En este tercer caso camiar la uente de tensión por una de corriente y considerar Z o K H. *ara los par,metros del modelo de peque9a se9al utiliar los del transistor M(0TF1HH1 polariado a V DS K e ID K4H m( $Ri K1 Ω! r ds K0H8 Ω ! Cgs K H.1 pF! Cds K H.48 pF! gm K < mS%. E&aluar dic"as ganancias compar,ndolas entre sí en una gr,fca.

<.

+onsid:rese el dispositi&o cuya estructura se representa en la Figura *.4! con los siguientes &alores de los par,metrosA a K < Pm! L K
*ara este dispositi&o! conocido como MESFET! son aplicales las e/presiones otenidas en el an,lisis de JFET con unión arupta. Las diusiones @ Q realiadas dea=o de la uente y el drenador se realian e/clusi&amente para conseguir contactos ó"micos! mientras que el contacto met,lico de puerta es rectifcador. Si la arrera de este contacto &ista desde el metal es de H.8 e! y despreciamos el aatimiento Sc"ott#y de la arrera deido al eecto imagen! calcularA

a%

El potencial arrera &isto desde el semiconductor.

%

La tensión de puerta que agota el canal. $*ara poder aplicar la misma e/presión que se utilia en el JFET admitir que el metal es como si uera un semiconductor uertemente dopado%.

c%

La transconductancia del canal.

d%

El tiempo de tr,nsito a tra&:s del canal para una tensión de drenador tal que se alcance la saturación con V GKH.1V  p.

e%

La limitación en recuencia del dispositi&o.

Figura P.1.

REFERENCIAS

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