Der MESFET

Der Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist ein JFET, bei dem das Gate kein pn-Übergang mehr ist, sondern ein Schottky-Kontakt. Das Metall liegt direkt auf dem Halbleiter, und die Verarmungszone unter ihm schnürt den Kanal ein — genau wie beim JFET, nur ohne eine zweite dotierte Schicht dazwischen.

Was der Schottky-Kontakt besser macht

Er ist ein reines Majoritätsträgerbauelement. Ein sperrgepolter pn-Übergang speichert Minoritätsträger; beim Umschalten müssen die erst ausgeräumt werden. Der Schottky-Kontakt kennt diesen Vorgang nicht — dieselbe Eigenschaft, die die Schottky-Diode schnell macht.

Er braucht keine Diffusion. Das Gate entsteht durch Aufdampfen und Strukturieren des Metalls, nicht durch einen Dotierschritt. Damit lassen sich sehr kurze Gatelängen erreichen, und die Gate-Länge ist bei diesen Bauformen die Größe, die die Grenzfrequenz bestimmt.

Er verträgt kein hohes thermisches Budget — was hier kein Nachteil ist, sondern der Grund, warum das Verfahren zu GaAs passt: Bei GaAs verbietet sich Hochtemperaturprozessieren ohnehin, weil Arsen ausdampft.

Warum GaAs

Zwei Gründe, und der zweite ist der wichtigere.

Die Beweglichkeit. Undotiertes GaAs erreicht rund 8500 cm²/Vs für Elektronen gegenüber etwa 1400 cm²/Vs in Silizium. Dotiert man auf die für einen MESFET nötigen \(2\cdot10^{17}\) cm⁻³, bleibt davon deutlich weniger übrig, aber der Vorsprung bleibt.

Das semi-isolierende Substrat. GaAs lässt sich mit tiefen Störstellen so einstellen, dass es praktisch nicht leitet. Der Transistor sitzt damit auf einem Isolator statt in einer Wanne — es gibt keine Sperrschichtkapazität zum Substrat, keine parasitären Pfade zwischen benachbarten Bauelementen, und keinen Bodyeffekt. In der HF-Technik ist das mehr wert als die Beweglichkeit.

Die Abschnürspannung

Dieselbe Rechnung wie beim JFET, nur mit der Dielektrizitätszahl von GaAs (\(\varepsilon_r = 12{,}9\)) und einer einseitigen statt beidseitigen Verarmung:

Für \(N_D = 2\cdot10^{17}\) cm⁻³ und eine aktive Schichtdicke \(a = 0{,}1\) µm ergibt das 1,40 V. Die hohe Dotierung ist nötig, um bei so dünner Schicht überhaupt Strom zu führen — und die dünne Schicht ist nötig, damit das Gate sie durchgreifen kann.

Die Grenze: die Barrierenhöhe

Hier zahlt der MESFET für seinen Vorteil. Ein Schottky-Kontakt auf n-GaAs hat eine Barrierenhöhe von rund 0,8 eV und beginnt oberhalb von etwa +0,5 V in Flussrichtung zu leiten. Der pn-Übergang eines Silizium-JFET hält bis etwa +0,6 V.

Das klingt nach wenig Unterschied, ist aber in der Praxis der springende Punkt: Der nutzbare Gate-Bereich reicht von \(V_P\) bis knapp über null, und weiter aufsteuern als bis zur Barriere geht nicht. Der Aussteuerbereich ist damit von beiden Seiten eng begrenzt — unten durch die Abschnürung, oben durch den Gate-Flussstrom.

Genau diese Enge ist einer der Gründe, warum der MESFET später vom HEMT abgelöst wurde: Dort trennt eine Heterostruktur die Ladungsträger von den Dotieratomen, und die Steuerung wird sowohl empfindlicher als auch weiter aussteuerbar.

Die historische Rolle

Der GaAs-MESFET war von den späten Siebzigern bis in die Neunziger das Arbeitspferd der Mikrowellentechnik — Satellitenempfänger, Radar, die ersten Mobilfunk-Endstufen. Er hat die Frequenzbereiche erschlossen, in denen Silizium damals nicht mitkam.

Verdrängt wurde er von zwei Seiten: vom HEMT nach oben hin, wo es auf Rauschmaß und Grenzfrequenz ankommt, und von Silizium nach unten, das mit kürzeren Kanälen und schließlich mit SiGe in die unteren Gigahertz vorgedrungen ist.

Weiterführendes

• Der Schottky-Kontakt — warum Metall auf Halbleiter gleichrichtet
• JFET — dasselbe Prinzip mit pn-Gate
• Heterostrukturen — die Grundlage des Nachfolgers HEMT
• Beweglichkeit — warum GaAs vorn liegt und was die Dotierung davon wegnimmt
• Schottky-Diode — dieselbe Barriere als Zweipol

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