MESFET

MESFET stands for Metal Semiconductor Field Effect Transistor. It is quite similar to a JFET in construction and terminology. The difference is that instead of using a p-n junction for a gate, a Schottky (metal-semiconductor) junction is used. MESFETs are usually constructed in compound semiconductor technologies lacking high quality surface passivation such as GaAs, InP, or SiC, and are faster but more expensive than silicon-based JFETs or MOSFETs. Production MESFETs are operated up to approximately 30 GHz, and are commonly used for microwave frequency communications and radar. From a digital circuit design perspective, it is increasingly difficult to use MESFETs as the basis for digital integrated circuits as the scale of integration goes up, compared to CMOS silicon based fabrication
Functional Architecture


















The MESFET differs from the common insulated gate FET in that there is no insulator under the gate over the active switching region. This implies that the MESFET gate should, in transistor mode, be biased such that one does not have a forward conducting metal semiconductor diode instead of a reversed biased depletion zone controlling the underlying channel. While this restriction inhibits certain circuit possibilities, MESFET analog and digital devices work reasonably well if kept within the confines of design limits. The most critical aspect of the design is the gate metal extent over the switching region. Generally the narrower the gate modulated carrier channel the better the frequency handling abilities, overall. Spacing of the source and drain with respect to the gate, and the lateral extent of the gate are important though somewhat less critical design parameters. MESFET current handling ability improves as the gate is elongated laterally, keeping the active region constant, however is limited by phase shift along the gate due to the transmission line effect. As a result most production MESFETs use a built up top layer of low resistance metal on the gate, often producing a mushroom-like profile in cross section.


High Electron Mobility Transistor

"HEMT" redirects here. For the military truck, see Heavy Expanded Mobility Tactical Truck.

















Cross section of a GaAs/AlGaAs/InGaAs pHEMT
High Electron Mobility Transistors, also known as heterostructure FETs (HFETs) or modulation-doped FETs (MODFETs), are field effect transistors incorporating a junction between two materials with different band gaps (i.e., a heterojunction) as the channel instead of a doped region, as is generally the case for MOSFETs. A commonly used material combination is GaAs with AlGaAs, though there is wide variation, dependent on the application of the device. Devices incorporating more indium generally show better high-frequency performance, while in recent years, gallium nitride HEMTs have seen a massive increase in research effort, due to their high-power performance.























Band structure in GaAs/AlGaAs heterojunction based HEMT
In general, to allow conduction, semiconductors are doped with impurities to generate mobile electrons. However, these electrons are slowed down through collisions with the impurities (dopants) used to generate them in the first place. HEMTs avoid this through the use of high mobility electrons generated using the heterojunction of a highly-doped wide-bandgap n-type donor-supply layer (AlGaAs in our example) and a non-doped narrow-bandgap channel layer with no dopant impurities (GaAs in this case).
The electrons generated in the thin n-type AlGaAs layer drop completely into the GaAs layer to form a depleted AlGaAs layer, because the heterojunction created by different band-gap materials forms a quantum well (a steep canyon) in the conduction band on the GaAs side where the electrons can move quickly without colliding with any impurities because the GaAs layer is undoped, and from which they cannot escape. The effect of this is to create a very thin layer of highly mobile conducting electrons with very high concentration, giving the channel very low resistivity (or to put it another way, "high electron mobility"). This layer is called a two-dimensional electron gas. As with all the other types of FETs, a voltage applied to the gate alters the conductivity of this layer.
Ordinarily, the two different materials used for a heterojunction must have the same lattice constant (spacing between the atoms). As an analogy, imagine pushing together two plastic combs with a slightly different spacing. At regular intervals, you'll see two teeth clump together. In semiconductors, these discontinuities are a kind of "trap", and greatly reduce device performance.
A HEMT where this rule is violated is called a pHEMT or pseudomorphic HEMT. This is achieved by using an extremely thin layer of one of the materials - so thin that the crystal lattice simply stretches to fit the other material. This technique allows the construction of transistors with larger bandgap differences than otherwise possible, giving them better performance.
Another way to use materials of different lattice constants is to place a buffer layer between them. This is done in the mHEMT or metamorphic HEMT, an advancement of the pHEMT. The buffer layer is made of AlInAs, with the indium concentration graded so that it can match the lattice constant of both the GaAs substrate and the GaInAs channel. This brings the advantage that practically any Indium concentration in the channel can be realized, so the devices can be optimized for different applications (low indium concentration provides low noise; high indium concentration gives high gain).
Applications are similar to those of MESFETs - microwave and millimeter wave communications, imaging, radar, and radio astronomy - any application where high gain and low noise at high frequencies are required. HEMTs have shown current gain to frequencies greater than 600GHz and power gain to frequencies greater than 1THz. (Heterojunction bipolar transistors were demonstrated at current gain frequencies over 600 GHz in April 2005.) Numerous companies worldwide develop and manufacture HEMT-based devices. These can be discrete transistors but are more usually in the form of a 'monolithic microwave integrated circuit' (MMIC). HEMTs are found in many types of equipment ranging from cellphones and DBS receivers to electronic warfare systems such as radar and for radio astronomy.
The invention of the HEMT is usually attributed to Takashi Mimura (三村 高志) (Fujitsu, Japan). However, Ray Dingle and his co-workers in Bell Laboratories also played an important role in the invention of the HEMT.

MOSFET



Two power MOSFETs in the surface-mount package D2PAK. Operating as switches, each of these components can sustain a blocking voltage of 120 volts in the OFF state, and can conduct a continuous current of 30 amperes in the ON state, dissipating up to about 100 watts and controlling a load of over 2000 watts. A matchstick is pictured for scale.


A cross section through an nMOSFET when the gate voltage VGS is below the threshold for making a conductive channel; there is little or no conduction between the terminals source and drain; the switch is off. When the gate is more positive, it attracts electrons, inducing an n-type conductive channel in the substrate below the oxide, which allows electrons to flow between the n-doped terminals; the switch is on.
Simulation result for formation of inversion channel (electron density) and attainment of threshold voltage (IV) in a nanowire MOSFET. Note that the threshold voltage for this device lies around 0.45V.
The metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET, MOS-FET, or MOS FET) is a device used for amplifying or switching electronic signals. The basic principle of the device was first proposed by Julius Edgar Lilienfeld in 1925. In MOSFETs, a voltage on the oxide-insulated gate electrode can induce a conducting channel between the two other contacts called source and drain. The channel can be of n-type or p-type (see article on semiconductor devices), and is accordingly called an NMOSFET or a PMOSFET (also commonly nMOS, pMOS). It is by far the most common transistor in both digital and analog circuits, though the bipolar junction transistor was at one time much more common.
The 'metal' in the name is now often a misnomer because the previously metal gate material is now often a layer of polysilicon (polycrystalline silicon). Aluminium had been the gate material until the mid 1970s, when polysilicon became dominant, due to its capability to form self-aligned gates. Metallic gates are regaining popularity, since it is difficult to increase the speed of operation of transistors without metal gates.
IGFET is a related term meaning insulated-gate field-effect transistor, and is almost synonymous with MOSFET, though it can refer to FETs with a gate insulator that is not oxide. Another synonym is MISFET for metal–insulator–semiconductor FET.

The heterojunction bipolar transistor (HBT) is an improvement of the bipolar junction transistor (BJT) that can handle signals of very high frequencies up to several hundred GHz. It is common in modern ultrafast circuits, mostly radio-frequency (RF) systems, as well as applications requiring a high power efficiency, such as power amplifiers in cellular phones. The idea of employing a heterojunction is as old as the conventional BJT, dating back to a patent from 1951

Due to the need to manufacture HBT devices with extremely high-doped thin base layers, molecular beam epitaxy is principally employed. In addition to base, emitter and collector layers, highly doped layers are deposited on either side of collector and emitter to facilitate an ohmic contact, which are placed on the contact layers after exposure by photolithography and etching. The contact layer underneath the collector is, named subcollector, is an active part of the transistor.
Other techniques are used depending on the material system. IBM and others use UHV CVD for SiGe; other techniques used include MOVPE for III-V systems.

Transistor de unión bipolar

















Transistor de unión bipolar.
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
• Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.
• Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
• Colector, de extensión mucho mayor.
La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que por ser muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.
En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en directa y la unión base-colector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector.
Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "hoyos" como portadores mayoritarios en la base.
La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.















NPN

















El símbolo de un transistor NPN.
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.


PNP
















El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.


El símbolo de un transistor PNP.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.
La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo

Dispositivos de microondas
La ingeniería de microondas/milimétricas tiene que ver con todos aquéllos dispositivos, componentes y sistemas que trabajen en el rango frecuencial de 300 MHz a 300 GHz. Debido a tan amplio margen de frecuencias, tales componentes encuentran aplicación en diversos sistemas de comunicación. Ejemplo típico es un enlace de Radiocomunicaciones terrestre a 6 GHz en el cual detrás de las antenas emisora y receptora, hay toda una circuitería capaz de generar, distribuir, modular, amplificar, mezclar, filtrar y detectar la señal. Otros ejemplos lo constituyen los sistemas de comunicación por satélite, los sistemas radar y los sistemas de comunicación móviles, muy en boga en nuestros días.
La tecnología de semiconductores, que proporciona dispositivos activos que operan en el rango de las microondas, junto con la invención de líneas de transmisión planares; ha permitido la realización de tales funciones por circuitos híbridos de microondas.
En estos circuitos, sobre un determinado sustrato se definen las líneas de transmisión necesarias. Elementos pasivos (condensadores, resistencias) y activos (transistores, diodos) son posteriormente incorporados al circuito mediante el uso de pastas adhesivas y técnicas de soldadura. De ahí el nombre de tecnología híbrida de circuitos integrados (HMIC: "Hibrid Microwave Integrated Circuit"). Recientemente, la tecnología monolítica de circuitos de microondas (MMIC), permite el diseño de circuitos/subsistemas capaces de realizar, muchas de las funciones mencionadas anteriormente, en un sólo "chip". Por las ventajas que ofrece ésta tecnología, su aplicación en el diseño de amplificadores para receptores ópticos, constituye un campo activo de investigación y desarrollo. Prueba de ello es el trabajo realizado con la Universidad Politécnica de Madrid.
El diseño de circuitos de microondas en ambas tecnologías, ha exigido un modelado preciso de los diferentes elementos que forman el circuito. De especial importancia son los dispositivos activos (MESFET, HEMT, HBT); pues conocer su comportamiento tanto en pequeña señal como en gran señal (régimen no lineal), es imprescindible para poder predecir la respuesta de un determinado circuito que haga uso de él. El análisis, modelado y simulación de éstos dispositivos, constituye otra de las áreas de trabajo

El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dipositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", o sea, de rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, claro, dejando de lado la región Zener, que es cuando más bien existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que -a pesar de estar polarizado en contra del flujo de corriente- éste opere de igual forma como lo haría regularmente.
La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy altas frecuencias y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad.
A diferencia de los diodos convencionales de silicio, que tienen una tensión umbral —valor de la tensión en directa a partir de la cual el diodo conduce— de 0,7 V, los diodos Schottky tienen una tensión umbral de aproximadamente 0,2 V a 0,4 V empleándose, por ejemplo, como protección de descarga de células solares con baterías de plomo ácido.
La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía, otra utilización del diodo Schottky es en variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por el transistor del freno y este no pierda sus facultades.
El diodo Schottky se emplea en varios circuitos integrados de logica TTL. Por ejemplo los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las Schottky TTL con la misma potencia.

El diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varíe en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V.
La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (oscilador controlado por tensión).
En tecnología de microondas se pueden utilizar como limitadores: al aumentar la tensión en el diodo, su capacidad varía, modificando la impedancia que presenta y desadaptando el circuito, de modo que refleja la potencia incidente.

Diodo Semiconductor

El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente por una unión P-N, añadiéndole un terminal de conexión a cada uno de los contactos metálicos de sus extremos y una cápsula que aloja todo el conjunto, dejando al exterior los terminales que corresponden al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N)
El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se conecta el polo positivo de la batería al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se realiza la conexión opuesta. Esta interesante propiedad puede utilizarse para realizar la conversión de corriente alterna en continua, a este procedimiento se le denomina rectificación.
En efecto. si se aplica a este diodo una tensión alterna, únicamente se producirá circulación de corriente en las ocasiones en que el ánodo sea más positivo que el cátodo, es decir, en las alternancias positivas, quedando bloqueado en las ascendencias negativas, lo que impide el paso de la corriente por ser en estas ocasiones el ánodo más negativo que el cátodo.
La corriente resultante será «pulsante», ya que sólo circulará en determinados momentos, pero mediante los dispositivos y circuitos adecuados situados a continuación puede ser convertida en una corriente continua constante, que es el que se emplea actualmente casi en exclusiva; presenta sobre el de vacío algunas ventajas fundamentales: - Es de tamaño mucho más reducido, lo que contribuye a la miniaturización de los circuitos.
- La cantidad de calor generado durante el funcionamiento es menor, ya que no necesita ningún calentamiento de filamento. - Funciona con tensiones mucho más bajas, lo que posibilita su empleo en circuitos alimentados a pilas o baterías