MESFETトランジスタ完全ガイド：性能とRF応用

市場には多様なトランジスタタイプが存在し、多くは独自の目的を果たします。中には特定回路用途向けの特殊機能を提供するものもあります。本記事では、電界効果トランジスタの一種であるMESFETトランジスタについて議論します。この半導体デバイスはチャネルを流れる電流を制御できるため、RF実装に最適です。他の特性も高性能達成を保証します。プロフェッショナルは回路への統合前にMESFETとその動作条件を理解する必要があります。本記事でデバイスを詳細に見ていきましょう。始めましょう！

金属-半導体電界効果トランジスタ

金属-半導体電界効果トランジスタの概略図。 

出典：Wikimedia Commons

MESFET（金属-半導体電界効果トランジスタ）は、JFETの動作と構造に酷似していますが、1つの主要な違いがあります。一般的に、p-n接合ではなくショットキー接合を備え、枯渇層の幅を変えて伝導を制御します。このことを念頭に置けば、MESFETを高出力RF回路用途に実装できます。

一方、GaAs（砒化ガリウム）MESFETも利用でき、高周波向けに改善された電子移動度を持ちます。アクティブ層と低寄生容量の半絶縁基板を特徴とします。GaAs MESFETは、高出力（40W）と低出力の両方を必要とする用途で優れた性能を発揮します。例えば、レーダー、衛星通信、マイクロ波通信などです。

MESFETの種類

現在市場にはNチャネルとPチャネルの2種類のMESFETが存在します。しかし、電子がキャリアとして働くNチャネルの方が人気です。このタイプは、GaAs正孔移動度の20倍の電子移動度を提供します。

MESFETの構造と動作

MESFET構造を示す図。

出典：Wikimedia Commons

MESFETは、単一の超薄型、軽度n型ドープ半導体層（チャネルと呼ばれる）を含みます。チャネルは半絶縁基板上にエッチングされ、両端に高濃度ドープ半導体（ソースとドレイン）があります。一方、金属がチャネルの上部を覆い、2端子間にショットキー接合を形成し、ゲート端子も表します。ゲートが負バイアス条件に設定されると、チャネルの電流流れを制御します。そのため、金属コーティングされたゲート近くにキャリアのない枯渇領域を生成します。このプロセスはキャリアチャネル幅変調と呼ばれ、チャネル電流を制限します。

MESFETシンボル

MESFETシンボルを表す画像。

シンボルに示す通り、枯渇領域はゲート端子で拡大します。Pチャネルの矢印は外向き、Nチャネルの矢印は内向きです。

MESFET動作モード

全体として、MESFETはエンハンスメントモードとディプレッションモードの2モードで動作します：

エンハンスメントモードMESFET： このモードでは、枯渇領域がゲートからソースへのキャリアを遮断するのに十分なスペースを持ちます。また、MESFETはデフォルトでオフ状態に設定されます。ゲートとソース端子間に正電圧を印加すると、枯渇領域が縮小します。結果としてチャネルに電流が生成されます。しかし、ゲート-ソース間正電圧によりショットキーダイオード接合が順バイアスになると大電流が流れます。

ディプレッションモードMESFET： 枯渇領域がp型基板まで拡大しないとき、MESFETはディプレッションモードで動作します。一般的に、このモードは負のゲート-ソース電圧なしでアクティブになります。負電圧を印加すると、MESFETディプレッションモードが非アクティブになり、枯渇領域の幅が増大。これにより、ソースからドレインへのキャリア流れを防ぎます。

MESFETの特性

MESFETは高い電子移動度を提供。 

MESFETの主な特性：

• 高入力インピーダンス： ダイオード接合により、バイポーラトランジスタより高い入力インピーダンスを提供
• 酸化物トラップ防止： 人気のシリコンMOSFETと異なり、MESFETは酸化物トラップを防止可能
• 高幾何学制御レベル： また、MESFETはJFET比で改善されたチャネル長制御を提供。高幾何学制御が製品性能を向上させ、RF無線周波数向けの微細ジオメトリを可能に
• 低容量： 全体として、ショットキーダイオードゲート構造が低容量レベルを提供し、RFおよびマイクロ波用途に最適
• 負温度係数： MESFETは負温度係数により熱問題の発生を防止
• 高電子移動度： MESFET半導体技術による高電子移動度を持つアンプは、50GHz〜100GHzの周波数で動作

MESFETの用途

携帯電話には一般的にMESFETが搭載。

MESFETは以下を含む多くの用途に統合されます：

• 携帯電話
• マイクロ波回路
• 衛星通信
• RFアンプ
• レーダー
• 高周波デバイス
• 商業用オプトエレクトロニクス

MESFETの明確な利点と主な欠点

利点：

• 高周波動作
• 酸化物層なしで設計され、酸化物トラップを防止
• 高幾何学制御レベル
• 高入力インピーダンス

欠点：

• GaAsショットキーダイオードのターンオン電圧は0.7Vに設定されます。その結果、しきい値電圧はこの値未満でなければなりません。この特徴により、エンハンスメントモードMESFETを必要とする回路の製造が困難になります。

MESFET vs MOSFET

回路上のMOSFET統合画像。

出典：Wikimedia Commons

MESFETとMOSFETの主な違いは動作能力にあります。MOSFETはゲートがしきい値より高い電圧を受け取るまでオフ状態ですが、MESFETはデフォルトでオン状態であり、逆電圧を受け取るまでオンのままです。

まとめ

全体として、MESFETはJFETと同様にゲート、ソース、ドレイン端子を持ちます。加えて、ゲート端子がショットキー接合として機能し、金属コーティングで構成されます。この領域は、デバイスがアクティブ/非アクティブになるときに枯渇ゾーン幅を制御します。この構成により、p-n接合に依存するJFETとは異なるトランジスタとなります。さらに、より高い周波数を必要とする回路にはGaAs MESFETを統合できます。

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