Transistores de efecto de campo. Transistores HBT y HEMT

Transistores de Efecto de Campo

Formados por un canal tipo n, se puede obligar a que los portadores mayoritarios, electrones, fluyan a los largo del canal aplicando una diferencia de potencial entre los terminales de drenador (D) y fuente (S). El tercer terminal, llamado puerta (G), se forma conectando eléctricamente dos zonas con dopado p+.

Las regiones de puerta y canal forman una unión p-n que en su funcionamiento se mantiene con polarización inversa mediante una tensión VGS < 0 y VDS > 0. Debido a la región de carga espacial que se forma a ambos lados del canal cuando la unión p-n se polariza inversamente, el ancho efectivo del canal disminuye al aumentar la polarización inversa, pudiendo incluso llegar a obstruirse completamente.
En consecuencia, para una determinada tensión VDS, la corriente que alcanza al drenador depende de la tensión que modula la anchura del canal.
Si para cierta tensión VGS el canal está abierto, para valores bajos de VDS, la corriente ID dependerá linealmente de VDS, pero conforme aumenta VDS la unión p-n se polariza inversamente, provocando que la región de carga espacial reduzca la anchura del canal. A medida que aumenta VDS la corriente deja de crecer con VDS y se hace independiente de esta tensión.
Los transistores de efecto de campo en microondas suelen hacerse con sustratos de GaAs, al tener mejor movilidad electrónica. La configuración típica es una unión metal-semiconductor (MESFET), que reemplaza la unión puerta-canal. Para alcanzar frecuencias muy altas (100 GHz) se utilizan longitudes de puerta del orden de 0.2 μm.
Los electrones tienen mayor energía, en promedio, en el semiconductor que en el metal. Por tanto, el contacto metal-semiconductor produce una transferencia de electrones del semiconductor al metal, el cual queda cargado negativamente. Esta presencia de carga produce un campo eléctrico que atrae los electrones en sentido contrario, alcanzándose una

situación de equilibrio.

El circuito equivalente de un transistor de efecto de campo de microondas es el que se indica en la figura, junto con los valores típicos de sus parámetros, que se ajustan a partir de las medidas de los parámetros S.
La frecuencia de transición, en el caso unilateral, se puede expresar como:

En un MESFET, al no haber uniones p-n, no existe ruido shot, aunque sí ruido térmico y ruido flicker, Este último tiene una respuesta en frecuencia del tipo 1/f, por lo que en microondas no suele afectar. El minimo factor de ruido que puede alcanzarse con un transistor MESFET puede aproximarse por la siguiente expresión:

En cuanto a las redes de polarización, en aplicaciones de pequeña señal, la mejor respuesta frente al ruido se obtiene cuando la corriente DC es un 20 % de la de saturación para VGS = 0. No obstante, para pequeños valores de la corriente, la transconductancia se reduce, y con ella la ganancia, por lo que siempre existe un compromiso. En la figura se indican dos posibles redes de polarización.

Transistores HBT y HEMT

HBT y HEMT son la siglas de Heterojunction Bipolar Transistor y High Electron Mobility Transistor, respectivamente. Se trata de dispositivos de tres terminales formados por la combinación de diferentes materiales con distinto salto de banda prohibida (gap band). Las heteroestructuras que se utilizan suelen ser compuestos de GaAs – AlGaAs.

En el caso del HBT, el empleo de materiales en el emisor con un salto de banda prohibida mayor que los de la base proporciona un desplazamiento de las bandas en la heterointerfaz que favorece la inyección de electrones en la base, mientras que se retarda la inyección de huecos en el emisor.

El empleo de heteroestructuras permite dotar a los transistores de efectode campo de canales con alta movilidad electrónica. Los dispositivos resultantes reciben el nombre de HEMT. Debido al mayor salto de banda prohibida del AlGaAs comparado con las regiones adyacentes de AsGa, los electrones libres se difunden desde el AlGaAs en el GaAs y forma un gas electrónico bidimensional en la heterointerfaz. Una barrera de potencial confina los electrones libres en una lámina muy estrecha.