En la electrónica de alta frecuencia, la necesidad de componentes que operen a velocidades extremas ha impulsado el desarrollo de tecnologías de semiconductores especializadas, con alternativas al silicio. Dos de los dispositivos más importantes en este campo son los transistores HEMT y los MESFET. Aunque ambos se utilizan en aplicaciones similares, tienen diferencias en estructura y principio de funcionamiento, que veremos aquí…
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Transistores HEMT
Un HEMT (High Electron Mobility Transistor) es un tipo de transistor de efecto de campo (FET) que utiliza una heterounión entre dos semiconductores con diferentes bandas prohibidas para formar un canal de alta movilidad, un gas de electrones bidimensional (2DEG), en lugar de una región dopada tradicional.
Por el uso de heteroestructuras, los portadores de carga se mueven en una zona limpia de impurezas, lo que permite una movilidad electrónica excepcionalmente alta.
Los HEMTs están compuestos por varias capas semiconductoras:
- Capa donante de banda ancha, por ejemplo AlGaAs sobre GaAs, o AlGaN sobre GaN.
- Una spacer no dopada que reduce la dispersión de electrones.
- Capa de canal de banda estrecha, como GaAs o GaN, donde se forma el 2DEG.
Estructuras avanzadas como InGaAs/AlInAs o Si/SiGe también se usan en diseños especializados.
Funcionamiento
Cuando se aplica voltaje en la puerta, se modula la densidad de electrones en el 2DEG formado en la heterointerfaz, permitiendo el flujo entre drenador y fuente. Al estar separados del dopado, estos electrones sufren menos dispersión y adquieren una movilidad alta.
Esa alta movilidad de electrones se traducen en frecuencias muy superiores a los actuales semiconductores, llegando a cientos de Ghz e incluso a más de 1Thz. Así mismo, gracias al canal libre de impurezas, ofrecen niveles de ruido muy bajos, y alta ganancia y densidad de potencia. Incluso presentan una mayor fiabilidad, aguantando temperaturas más extremas.
No obstante, no todo son ventajas, también hay algunas desventajas:
- Fabricación compleja y costosa debido a la epitaxia precisa requerida.
- Corrientes de fuga y estabilidad térmica en algunos diseños, especialmente en GaN HEMTs con puerta resistiva.
Aplicaciones del transistor HEMT
Entre las aplicaciones posibles de los transistores HEMT tenemos las de sistemas de comunicación, como las estaciones 5G, también aplicaciones en radares y telecomunicaciones satelitales, aplicaciones en electrónica de alta potencia, chips tipo MMIC, y más. Sin embargo, para lo que a nosotros más nos importa, también se pueden aplicar a chips de alto rendimiento para sistemas informáticos, ya sean en redes inalámbricas, convertidores DC-DC avanzados, e incluso se experimenta con los llamados transistores reconfigurables FeHEMT para futuros proyectos…
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Transistores MESFET
Un MESFET (Metal–Semiconductor FET) es un transistor de efecto de campo similar a un JFET, pero con una diferencia clave, y es que la puerta utiliza una unión Schottky metal-semiconductor en lugar de una unión p-n tradicional.
Generalmente se fabrican usando semiconductores III–V como GaAs (arseniuro de galio), InP (fosfuro de indio) o SiC (carburo de silicio), lo que les confiere alta velocidad pero también mayor coste. En cuanto a la estructura física de estos transistores, pueden estar compuestos por:
- Un sustrato semi-aislante (e.g., GaAs).
- Una delgada capa n-dopada que actúa como canal entre fuente y drenador.
- Un contacto Schottky de metal sobre la capa n, que hace de puerta.
- Regiones fuertemente dopadas para fuente y drenador con contactos óhmicos.
Funcionamiento
El funcionamiento es sencillo:
- Modo de agotamiento (depletion mode): está conducido sin voltaje aplicado a la puerta; aplicar voltaje negativo aumenta la región de agotamiento y bloquea el canal.
- Modo de mejora (enhancement mode): inicialmente está apagado, y un voltaje positivo reduce la zona de agotamiento, permitiendo el paso de corriente entre fuente y drenador.
Entre las ventajas del MESFET están también su alto rendimiento con frecuencias muy elevadas, de entorno a decenas de Ghz. Al igual que los HEMT también tenemos un bajo nivel de ruido, alta impedancia de entrada y baja capacitancia parásita, gran ganancia y potencia, etc.
En cuanto a las limitaciones, hay que destacar que tiene limitaciones en el voltaje empleado por la puerta Schottky, también su mayor coste debido a los semiconductores exóticos y procesos de epitaxia complejos. También es complicado su integración en sistemas digitales.
Aplicaciones principales del MESFET
Entre las posibles aplicaciones del MESFET se encuentran los sistemas de RF, microondas, además de redes o comunicaciones inalámbricas, radares, comunicaciones por satélite, y también los circuitos integrados de alta frecuencia tipo MMIC.
Si nos fijamos en posibles aplicaciones en el ámbito de los ordenadores, se podrían aplicar también a mejoras en redes de comunicación WiFi, 5G, RF, etc. También podría tener aplicaciones para placas base o periféricos como parte de circuitos convertidores o fuentes de alimentación.
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