Металл-полупроводниковый полевой транзистор (MESFET) — это униполярный прибор, поскольку в процессе его проводимости участвует преимущественно один вид носителей. MESFET обладает множеством привлекательных характеристик для применения как в аналоговых, так и в цифровых схемах. Он особенно полезен для микроволновых усилителей и высокоскоростных интегральных схем, поскольку может быть изготовлен из полупроводников с высокой подвижностью электронов (например, арсенида галлия, подвижность которого в пять раз выше, чем у кремния). Поскольку MESFET является однополярным прибором, он не подвержен эффекту минорных носителей и поэтому имеет более высокую скорость переключения и более высокую рабочую частоту, чем биполярные транзисторы.
Перспективный вид MESFET приведен на рисунке 7A. Он состоит из проводящего канала с двумя омическими контактами, один из которых выступает в качестве истока, а другой — стока. Проводящий канал сформирован в тонком слое n-типа, поддерживаемом полуизолирующей (непроводящей) подложкой с высоким сопротивлением. Когда к стоку прикладывается положительное напряжение по отношению к источнику, электроны перетекают от источника к стоку. Таким образом, источник служит источником носителей, а сток — стоком. Третий электрод, затвор, образует выпрямляющий контакт металл-полупроводник с каналом. Заштрихованная область под электродом затвора — это область обеднения контакта металл-полупроводник. Увеличение или уменьшение напряжения на затворе относительно источника приводит к расширению или сужению области обеднения, что, в свою очередь, изменяет площадь поперечного сечения, доступную для протекания тока от истока к стоку. Таким образом, MESFET можно рассматривать как резистор, управляемый напряжением.
Типичная характеристика ток-напряжение
c MESFET показан на рисунке 7B, где ток стока ID откладывается в зависимости от напряжения стока VD для различных напряжений на затворе. При заданном напряжении затвора (например, VG = 0) ток стока первоначально линейно увеличивается с ростом напряжения стока, что указывает на то, что проводящий канал действует как постоянный резистор. Однако по мере увеличения напряжения стока площадь поперечного сечения проводящего канала уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления канала. В результате ток растет медленнее и в конце концов насыщается. При заданном напряжении стока ток можно изменять, варьируя напряжение на затворе. Например, для VD = 5 В можно увеличить ток с 0,6 до 0,9 мА, подав прямое напряжение на затвор до 0,5 В, как показано на рисунке 7В, или уменьшить ток с 0,6 до 0,2 мА, подав обратное напряжение на затвор д о-1,0 В.
Устройством, родственным MESFET, является полевой транзистор с переходом (JFET). Однако в JFET вместо контакта металл-полупроводник в качестве электрода затвора используется p-n-переход. Работа JFET идентична работе MESFET.
В основном существует четыре различных типа MESFET (или JFET), в зависимости от типа проводящего канала. Если при нулевом смещении затвора существует проводящий n-канал и для уменьшения проводимости канала необходимо приложить к затвору отрицательное напряжение, как показано на рисунке 7B, то устройство представляет собой n-канальный «нормально включенный» MESFET. Если проводимость канала очень мала при нулевом смещении затвора и для формирования n-канала необходимо приложить к затвору положительное напряжение, то прибор представляет собой n-канальный «нормально выключенный» MESFET. Аналогично, существуют p-канальные нормально включенные и p-канальные нормально выключенные MESFET.
Для улучшения характеристик MESFET были разработаны различные полевые транзисторы с гетеропереходом (FET). Гетеропереход — это переход, образованный между двумя разнородными полупроводниками, например бинарным соединением GaAs и тройным соединением AlxGa1 — xAs. Такие переходы обладают многими уникальными свойствами, которые недоступны обычным p-n-переходам, рассмотренным ранее.
