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GaAs和SiC材料在MESFET技术中的意义

作者Cadence PCB解决方案

关键的外卖

  • GaAs fet建立了在高微波无线电频率下操作的专用设备类型。

  • GaAs材料是MESFET结构的首选，因为它表现出优越的电子迁移率，允许高频操作。

  • 碳化硅材料具有高导热性和高载流子饱和速度，这使其成为高频、大功率微波和射频应用的卓越材料选择。

MESFET

自半导体发明以来，固态工程师一直在不懈地工作双极结晶体管(BJT)来提高晶体管的速度和工作频率范围。锗、硅和砷化镓等半导体材料的引入帮助实现了高频操作。晶体管中GaAs材料的研究转向了GaAs场效应晶体管(fet)和GaAs金属半导体场效应晶体管(mesfet)的研制。GaAs mesfet的发明对射频电子学领域具有革命性意义。在本文中，我们将探讨GaAs fet和GaAs mesfet。

砷化镓场效应晶体管

GaAs fet建立了在高微波无线电频率下操作的专用设备类型。它们主要用于放大电路，电磁频谱操作可从30MHz到红外波段。砷化镓场效应晶体管广泛应用于无线通信和广播。当用于弱信号无线通信时，GaAs FET表现出比任何其他FET更好的性能。

GaAs fet的常见应用包括:

  1. 射频功率放大器应用程序
  2. 空间通信
  3. 射电天文学
  4. 业余无线电通信

由于以下几个原因，GaAs半导体器件的需求很高:

灵敏度

在GaAs fet中，器件产生的噪声是最小的。这一特性提高了晶体管的灵敏度。砷化镓材料的载流子迁移率使电子和空穴可以轻松快速地移动，这反映在器件的灵敏度上。

耗尽型晶体管

砷化镓场效应晶体管是一种耗尽模式晶体管，即使在栅极上没有施加电压时，器件也会传导。通道的电导率随着施加栅电压的增加而降低。

工作温度

砷化镓材料具有较高的能带隙。这使得GaAs FET能够在400°C以上的高温环境下工作。GaAs的直接带隙和高电子迁移率允许GaAs晶体管在高温下连续工作而没有任何损坏。

在关注GaAs mesfet之前，让我们先熟悉一下mesfet。

mesfet

mesfet是单极器件，在传导过程中只有一个载流子。由于单载流子导电，mesfet中不存在少数载流子效应。这种少数载流子的缺失增强了MESFET的开关速度和工作频率，超过任何其他双极晶体管。

开发GaAs mesfet

工艺技术和材料科学的进步为镓基分立半导体器件的发展奠定了基础。GaAs材料的固有特性(低噪声、高速信号传输、高功率处理能力、高电子迁移率等)对GaAs晶体管的研究产生了很大的影响。结果，1965年制备了GaAs mesfet。它们的高增益和低噪声使它们在微波应用中很受欢迎。

GaAs在MESFET结构中的重要性

mesfet可以用Si、Ge、GaAs等半导体材料制备。然而，GaAs材料是MESFET结构的首选，因为它表现出优越的电子迁移率，允许高频操作。在MESFET技术中使用GaAs材料消除了生长高质量氧化物的需要。制备GaAs MESFET不需要定制复杂的扩散模式。

GaAs mesfet的优点

GaAs mesfet相对于硅的优势包括:

  1. 在室温下具有更高的迁移率-大约是硅的5倍。

  2. GaAs材料的饱和速度是硅的两倍。

  3. 制备半绝缘砷化镓衬底是可能的。

  4. GaAs材料由于自由载流子吸收而消除了对微波功率的吸收。

  5. 频率操作大于2GHz在硅mesfet中是不可用的，这在GaAs mesfet中是实用的。

mesfet用碳化硅材料

随着晶体结构的变化，碳化硅(SiC)材料被分为多型。硅碳多型，如3C-SiC, 4H-SiC和6H-SiC，由于其大带隙和更高的电子迁移率，是MESFET结构的首选。4H-SiC的大带隙使其最适合用于大功率MESFET器件。SiC mesfet的击穿电场是GaAs和硅mesfet的数倍。碳化硅材料提供高导热性以及高载流子饱和速度，这使得它成为高频，大功率微波和射频应用的卓越材料选择。

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