Dispositivos Semiconductores para Microondas

Introducción

Los dispositivos semiconductores son esenciales en aplicaciones de microondas, empleando diferentes tecnologías como FR4 (fibra de vidrio epoxi) con Fiterglass en HMIC (High Microwave Integrated Circuit) sobre sustratos plásticos y cerámicos, y aluminia en MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) sobre semiconductores.

Dispositivos Pasivos y Activos

Los dispositivos pasivos, como líneas de transmisión (planares, microstrip y coplanas), son fundamentales para la transmisión de señales. Los dispositivos activos, como transistores y diodos, se fabrican con semiconductores monocristalinos en obleas, formando parte de MMICs o encapsulados en HMICs.

Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos

Los semiconductores se clasifican en:

• Intrínsecos: Material puro sin impurezas.
• Extrínsecos: Material dopado con impurezas para modificar sus propiedades eléctricas. Tipos:
  • Tipo n: Dopado con impurezas donadoras pentavalentes (e.g., fósforo), con mayor concentración de electrones libres (é) que huecos (h).
  • Tipo p: Dopado con impurezas aceptoras trivalentes (e.g., boro), con mayor concentración de huecos (h) que electrones libres (é).

Heteroestructuras

Las heteroestructuras son capas de diferentes materiales semiconductores que permiten dispositivos en frecuencias milimétricas y submilimétricas. Sus ventajas son:

• Mayor discontinuidad en la banda de conducción.
• Mejor confinamiento de portadores, aumentando la potencia.
• Mayor movilidad de electrones (é), aumentando la ganancia.
• Menor ruido.

Ejemplos: Si-SiGe-Ge, InAs-GaAs.

Unión Schottky

La barrera Schottky, a diferencia de la unión p-n, entra en conducción directa a un voltaje inferior y con un solo tipo de portadores (electrones). Por esto, es unipolar y no presenta capacidad de difusión.

Unión p-n

La unión p-n modela la respuesta en frecuencia entre señales de muy baja frecuencia. Su circuito equivalente incluye:

• Cj: Capacidad de despoblación en la zona de carga de espacio.
• Cd: Capacidad de difusión.

Aplicaciones de Diodos

• Conversión de frecuencia: Diodo Schottky.
• Osciladores: Diodo de avalancha, diodo túnel.
• Sintonización en osciladores: Varactor.
• Conmutación: Diodo PIN.

Transistor MODFET

El transistor MODFET (Modulation-Doped Field-Effect Transistor) presenta menor figura de ruido y mayor velocidad de saturación de electrones (é) que otros transistores.

Transistor Bipolar

En un transistor bipolar, a mayor dopado del emisor respecto a la base, se obtiene mejor eficiencia del emisor y mayor ganancia.

Frecuencia de Transición (fT)

La frecuencia de transición (fT) o frecuencia de ganancia unitaria (wT) es la frecuencia a la que la ganancia de corriente en corriente continua (CC) es 1.

Transistor HBT

El transistor HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) es un transistor bipolar de heterounión utilizado en osciladores y amplificadores de microondas.

Parámetros S

Los parámetros S (scattering parameters) dependen de la frecuencia de medición, por lo que se debe especificar la frecuencia (f) en la que se obtuvieron.

Transistores de Alta Frecuencia y Potencia

• Alta potencia: HEMT InP, HEMT GaN, LDMOS Si.
• Frecuencias submilimétricas: HEMT GaN.
• MMICs: Todos los mencionados.

Ventajas del HEMT GaN sobre el LDMOS Si

• Elevada densidad de potencia.
• Dispositivos más pequeños.
• Funcionamiento a alta temperatura.