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HEMT, Transistor mit hoher Elektronenmobilität

HEMT, Transistor mit hoher Elektronenmobilität

Der Name HEMT steht für High Electron Mobility Transistor. Die Vorrichtung ist eine Form eines Feldeffekttransistors (FET), der einen ungewöhnlichen, sehr engen Kanal verwendet, der es ihm ermöglicht, bei außerordentlich hohen Frequenzen zu arbeiten.

Neben der sehr hohen Frequenzleistung bietet der HEMT auch eine sehr attraktive rauscharme Leistung.

Im Wesentlichen ist die Vorrichtung ein Feldeffekttransistor, der anstelle eines dotierten Bereichs, der in dem Standard-MOSFET verwendet wird, einen Übergang zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken (d. H. Einen Heteroübergang) als Kanal enthält.

Aufgrund seiner Struktur kann das HEMT in einigen Fällen auch als Heteroübergangs-FET, HFET oder modulationsdotierter FET, MODFET bezeichnet werden.

HEMT-Entwicklung

Obwohl das HEMT im Grunde eine Form eines Feldeffekttransistors ist, verwendet es eine ungewöhnliche Art der Elektronenbewegung.

Diese Art des Trägertransports wurde erstmals 1969 untersucht, aber erst 1980 standen die ersten experimentellen Geräte zur Untersuchung und Erstverwendung zur Verfügung.

Während der 1980er Jahre begannen sie, verwendet zu werden, aber angesichts ihrer anfänglich sehr hohen Kosten war ihre Verwendung sehr begrenzt.

Jetzt, da ihre Kosten etwas geringer sind, werden sie häufiger eingesetzt und finden sogar Verwendung in der mobilen Telekommunikation sowie in einer Vielzahl von Mikrowellenfunkverbindungen und vielen anderen RF-Designanwendungen.

HEMT Struktur & Herstellung

Das Schlüsselelement innerhalb eines HEMT ist der von ihm verwendete spezialisierte PN-Übergang. Es ist als Heteroübergang bekannt und besteht aus einem Übergang, der auf beiden Seiten des Übergangs unterschiedliche Materialien verwendet. Die am häufigsten verwendeten Materialien waren Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) und Galliumarsenid (GaAs).

Galliumarsenid wird im Allgemeinen verwendet, weil es ein hohes Maß an grundlegender Elektronenmobilität bietet, das für den Betrieb der Vorrichtung entscheidend ist. Silizium wird nicht verwendet, da es eine viel geringere Elektronenmobilität aufweist.

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen, die innerhalb eines HEMT verwendet werden können, aber alle verwenden grundsätzlich die gleichen Herstellungsverfahren.

Bei der Herstellung eines HEMT wird zunächst eine intrinsische Schicht aus Galliumarsenid auf die halbisolierende Galliumarsenidschicht aufgebracht. Dies ist nur etwa ein Mikrometer dick.

Als nächstes wird eine sehr dünne Schicht (zwischen 30 und 60 Angström) aus intrinsischem Aluminiumgalliumarsenid darauf aufgetragen. Ziel ist es, die Trennung der Heteroübergangsgrenzfläche von der dotierten Aluminiumgalliumarsenidregion sicherzustellen. Dies ist kritisch, wenn die hohe Elektronenmobilität erreicht werden soll.

Die dotierte Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid mit einer Dicke von etwa 500 Angström ist darüber angeordnet. Eine genaue Kontrolle der Dicke dieser Schicht ist erforderlich, und spezielle Techniken sind erforderlich, um dies zu kontrollieren.

Es werden zwei Hauptstrukturen verwendet. Dies sind die selbstausgerichtete ionenimplantierte Struktur und die Aussparungsgatterstruktur. Im Fall der selbstausgerichteten ionenimplantierten Struktur sind Gate, Drain und Source abgesetzt und im Allgemeinen metallische Kontakte, obwohl Source- und Drain-Kontakte manchmal aus Germanium bestehen können. Das Gate besteht im Allgemeinen aus Titan und bildet einen winzigen, in Sperrrichtung vorgespannten Übergang, der dem des GaAsFET ähnlich ist.

Für die Aussparungstorstruktur wird eine weitere Schicht aus Galliumarsenid vom n-Typ aufgebracht, um die Drain- und Source-Kontakte herzustellen. Bereiche werden wie in der Abbildung gezeigt geätzt. Die Dicke unter dem Gate ist ebenfalls sehr kritisch, da dadurch die Schwellenspannung des FET bestimmt wird. Die Größe des Gates und damit des Kanals ist sehr klein. Typischerweise beträgt das Gate nur 0,25 Mikrometer oder weniger, wodurch das Gerät eine sehr gute Hochfrequenzleistung aufweist.

HEMT-Betrieb

Der Betrieb des HEMT unterscheidet sich etwas von anderen FET-Typen.

Elektronen aus dem n-Typ bewegen sich durch das Kristallgitter und viele bleiben nahe am Heteroübergang. Diese Elektronen bilden eine Schicht, die nur ein Elektron dick ist und ein sogenanntes zweidimensionales Elektronengas bildet. Innerhalb dieses Bereichs können sich die Elektronen frei bewegen, da es keine anderen Donorelektronen oder andere Gegenstände gibt, mit denen Elektronen kollidieren, und die Beweglichkeit der Elektronen im Gas sehr hoch ist.

Eine Vorspannung, die an das als Schottky-Barrierediode gebildete Gate angelegt wird, wird verwendet, um die Anzahl der Elektronen in dem aus dem 2D-Elektronengas gebildeten Kanal zu modulieren, und dies steuert wiederum die Leitfähigkeit der Vorrichtung. Dies kann mit den traditionelleren FET-Typen verglichen werden, bei denen die Breite des Kanals durch die Gate-Vorspannung geändert wird.

Die Verwendung von HEMT-Geräten bietet mehrere Vorteile:

  • Hoher Gewinn: HEMTs haben eine hohe Verstärkung bei Mikrowellenfrequenzen, da die Ladungsträger fast ausschließlich die Mehrheitsträger sind und die Minoritätsträger nicht wesentlich beteiligt sind.
  • Wenig Lärm: HEMTs bieten einen sehr rauscharmen Betrieb, da die Stromschwankung in den Geräten im Vergleich zu anderen Feldeffektgeräten gering ist.

Anwendungen

Das HEMT wurde ursprünglich für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entwickelt. Erst als die ersten Geräte hergestellt wurden, wurde festgestellt, dass sie eine sehr geringe Rauschzahl aufwiesen. Dies hängt mit der Natur des zweidimensionalen Elektronengases und der Tatsache zusammen, dass es weniger Elektronenkollisionen gibt.

Aufgrund ihrer Rauschleistung werden sie häufig in rauscharmen Kleinsignalverstärkern, Leistungsverstärkern, Oszillatoren und Mischern verwendet, die bei Frequenzen bis zu 60 GHz und mehr arbeiten, und es wird erwartet, dass letztendlich Geräte für Frequenzen bis zu etwa 100 weit verbreitet sein werden GHz. Tatsächlich werden HEMT-Geräte in einer Vielzahl von HF-Entwurfsanwendungen verwendet, einschließlich zellularer Telekommunikation, Direktübertragungsempfängern - DBS, Radar, Radioastronomie und jeder HF-Entwurfsanwendung, die eine Kombination aus geringem Rauschen und sehr hoher Frequenzleistung erfordert

HEMTs werden von vielen Herstellern von Halbleiterbauelementen auf der ganzen Welt hergestellt. Sie können in Form von diskreten Transistoren vorliegen, aber heutzutage werden sie üblicherweise in integrierte Schaltungen eingebaut. Diese monolithischen Chips für integrierte Mikrowellenschaltungen oder MMICs werden häufig für HF-Entwurfsanwendungen verwendet, und HEMT-basierte MMICs werden häufig verwendet, um in vielen Bereichen das erforderliche Leistungsniveau bereitzustellen.

Andere HEMT-basierte Geräte

Es gibt eine Reihe von Varianten des Basis-HEMT-Geräts. Diese anderen Geräte bieten in einigen Bereichen zusätzliche Leistung.

  • pHEMT: Die PHEMTs erhalten ihren Namen, weil es sich um einen pseudomorphen Transistor mit hoher Elektronenmobilität handelt. Diese Geräte werden häufig in drahtlosen Kommunikations- und LNA-Anwendungen verwendet.

    PHEMT-Transistoren bieten einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Rauschzahl und Leistung. Infolgedessen werden PHEMTs häufig in Satellitenkommunikationssystemen aller Art verwendet, einschließlich Direktsendungssatellitenfernsehen, DBS-TV, wo sie in rauscharmen Boxen, LNBs, die mit den Satellitenantennen verwendet werden, verwendet werden. Sie werden auch in allgemeinen Satellitenkommunikationssystemen sowie in Radar- und Mikrowellenfunkkommunikationssystemen verwendet. Die PHEMT-Technologie wird auch in der analogen und digitalen Hochgeschwindigkeits-IC-Technologie eingesetzt, bei der eine extrem hohe Geschwindigkeit erforderlich ist.

  • mHEMT: Das mHEMT oder metamorphe HEMT ist eine Weiterentwicklung des pHEMT. Die Pufferschicht besteht aus AlInAs, wobei die Indiumkonzentration so abgestuft ist, dass sie mit der Gitterkonstante sowohl des GaAs-Substrats als auch des GaInAs-Kanals übereinstimmt. Dies bringt den Vorteil, dass praktisch jede Indiumkonzentration im Kanal genutzt werden kann, sodass die Geräte für verschiedene Anwendungen optimiert werden können. Es wurde festgestellt, dass eine niedrige Indiumkonzentration eine bessere Rauschleistung liefert, während eine hohe Indiumkonzentration mehr Verstärkung liefert.

Diese HEMT-Varianten sind weniger bekannt, können jedoch einige Eigenschaften bereitstellen, die in einigen Nischenanwendungen erforderlich sind.

Schau das Video: nanoHUB-U MOSFET Essentials: Additional Topics - High Electron Mobility Transistors HEMTs (Oktober 2020).