Korkean elektroniliikkuvuuden transistorit (HEMT:t ja HEM FET:t) käyttävät heteroliitosta ja kaksiulotteista elektronikaasukanavaa (2 astetta) saavuttaakseen erittäin korkean nopeuden, vahvistuksen ja matalan kohinan RF-, millimetriaalto- ja tehopiireissä. Tässä artikkelissa selitetään, miten kerrosrakenne, materiaalit, moodit, kasvumenetelmät, luotettavuus, mallinnus ja piirilevyjen asettelu on selkeät vaiheet.
HEMTit ja HEM-FET:t Perusteet
Korkean elektroniliikkuvuuden transistorit (HEMT:t tai HEM FET:t) ovat kenttävaikutustransistoreita, jotka käyttävät rajaa kahden eri puolijohdemateriaalin välillä yhden tasaisesti dopaatun kanavan sijaan kuten MOSFETissä. Tätä rajaa, jota kutsutaan heteroliitokseksi, sallii elektronien liikkua hyvin nopeasti ohuessa kerroksessa, jossa on pieni resistanssi. Tästä syystä HEMT-laitteet voivat kytkeä erittäin korkeilla nopeuksilla, tarjota vahvan signaalivahvistuksen ja pitää kohinan matalana korkeataajuisissa piireissä. Yleiset materiaalijärjestelmät, kuten GaN, GaAs ja InP, on valittu tasapainottamaan nopeutta, jännitelujuusta ja kustannuksia, joten HEMT:t ovat laajasti käytössä nykyaikaisissa korkeataajuisissa ja tehokkaissa elektroniikassa.
2DEG kanava HEMTeissä ja HEM FET:issä
HEMT:issä korkea liikkuvuus johtuu hyvin ohuesta elektronikerroksesta, jota kutsutaan kaksidimensionaaliseksi elektronikaasuksi (2 aste). Tämä kerros muodostuu rajalle leveäkaistaisen kerroksen ja kapeakaistaisen kanavan rajalle. Kanava on dopingamaton, joten elektronit liikkuvat vähemmillä törmäyksillä, mikä antaa nopean ja vähäresistanssisen virran reitin.
Askeleet 2U-asteen muodostelmassa:
• Luovuttajaatomit laajakaistaisessa kerroksessa vapauttavat elektroneja.
• Elektronit siirtyvät matalaenergisiseen kapeakaistaiseen kanavaan.
• Ohut kvanttikaivo muodostaa ja vangitsee elektronit levyyn.
• Tämä 2DEG levy toimii portin ohjaamana nopeana kanavana.
Kerrosrakenne HEMTeissä ja HEM-FET:issä
n⁺ korkkikerros (pieni kaistaväli)
Tarjoaa matalan resistanssin polun lähde- ja viemärikontakteille. Korkki poistetaan portin alta, jotta kanava pysyy hallinnassa.
n⁺ laajakaistainen luovuttaja/suojakerros
Se toimittaa elektroneja, jotka täyttävät 2DEG:n ja auttavat hallitsemaan korkeita sähkökenttiä.
Dopingoimaton välikerros
Erottaa luovuttajat 2-asteesta, jolloin elektronit näkevät vähemmän törmäyksiä ja liikkuvat helpommin.
Doppaamaton kapeakaistainen kanava/puskuri
Pitää 2 asteen nopeuden ja päästää virran kulkemaan nopeasti korkeilla taajuuksilla ja korkeilla kentillä.
Alusta (Si, SiC, safiiri, GaAs tai InP)
Tukee koko rakennetta ja on valittu lämmönkäsittelyn, kustannusten ja materiaalien yhteensopivuuden perusteella; GaN-on-Si ja GaN-on-SiC ovat yleisiä virta- ja RF-HEMT-laitteissa.
Materiaalivaihtoehdot HEMT- ja HEM-FET-malleihin
| Materiaalijärjestelmä | Tärkeimmät vahvuudet | Tyypillinen taajuusalue |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Matala kohina, vakaa ja hyvin kehittynyt | Mikroaaltouunista matalaan mmWaveen |
| InAlas / InGaAs on InP | Erittäin nopea, hyvin matala kohina. mmWave ja korkeammat | |
| AlGaN / GaN SiC:llä tai Si:llä | Korkea jännitevoima, korkea teho, kuuma käyttö | RF, mikroaalto, virtakytkentä |
| Si / SiGe | Toimii CMOS:n kanssa, parempi liikkuvuus kuin pii | RF ja nopea digitaalinen |
pHEMT- ja mHEMT-rakenteet HEMT- ja HEM-FET-rakenteissa
| Tyyppi | Hilalähestymistapa | Tärkeimmät hyödyt | Tyypilliset rajoitukset/kompromissit |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Käyttää hyvin ohutta, kireää kanavaa, joka pidetään kriittisen paksuuden alapuolella vastaamaan alustaa | Korkea elektronien liikkuvuus, alhaiset viat, vakaa suorituskyky | Kanavan paksuus on rajallinen; varastoitunutta jännitettä on hallittava |
| mHEMT | Käyttää asteittaista "metamorfista" puskuria, joka hitaasti muuttaa hilavakioa | Mahdollistaa korkean indiumpitoisuuden ja erittäin nopean nopeuden (korkea fT) | Monimutkaisempi puskuri, suurempi riski kidevirheille |
Tehostus- ja tyhjennystilat HEMTeissä ja HEM-FET:issä
Tyhjennystilan HEMT:t (dHEMT, normaalisti päällä)
• Usein esiintyy AlGaN/GaN-rakenteissa, joissa 2DEG muodostuu itsestään.
• Laite johtaa VGS = 0V; Kanavan sulkemiseen tarvitaan negatiivinen porttijännite.
• Voi saavuttaa erittäin korkeat tehotasot ja korkean läpimenojännitteen, mutta vaatii erityistä huolellisuutta, jotta järjestelmä olisi varma.
Parannustila-HEMT:t (eHEMT, normaalisti pois päältä)
• Rakennettu niin, että kanava on pois päältä VGS = 0V.
• Menetelmiin kuuluvat porttirevennaatio, p-GaN-portti tai fluorikäsittely, jolla kynnys saadaan positiiviseksi.
• Toimii enemmän kuin MOSFET, mikä helpottaa sähkö- ja autopiirejä suojattaviksi.
HEMTien ja HEM-FET:ien RF- ja millimetriaaltoroolit
RF- ja millimetriaaltopiireissä HEMT- ja HEM-FET-piirejä käytetään laajasti, koska ne voivat kytkeä hyvin nopeasti ja lisätä signaaliin vain vähän kohinaa. Niiden rakenne antaa niille suuren vahvistuksen ja mahdollistaa niiden toimimisen taajuuksilla, joissa monet piilaitteet alkavat kamppailla.
Näissä järjestelmissä HEMT:t toimivat usein matalakohinaisena vahvistimina, jotka vahvistavat heikkoja signaaleja mahdollisimman vähäisellä lisäkohinalla, sekä tehovahvistimina, jotka tuottavat vahvempia signaaleja korkeilla taajuuksilla. Kehittyneet HEMT-teknologiat voivat pitää hyödyllisen vahvistuksen hyvin millimetriaaltoalueella, joten niitä käytetään laajasti erittäin korkeataajuisissa viestintä- ja tunnistuspiireissä.
GaN HEMT:t ja HEM FET:t tehonmuunnoksessa
GaN HEMT- ja HEM-FET-muuntimia käytetään nykyään pääkytkiminä tehokkaissa, korkeataajuisissa tehomuuntimissa 100–650 V välillä. Niissä on paljon pienempi kytkentähäviö kuin monissa pii-MOSFETeissä, joten ne voivat toimia sadoilla kilohertseillä tai jopa megahertsin alueella pysyen silti tehokkaina.
Nämä laitteet tarjoavat myös matalan päällekytkentävastuksen ja pienen varauksen, mikä auttaa vähentämään sekä johtavuutta että kytkentähäviöitä. Niiden vahva sähkökenttä ja hyvä lämpötilanhallinta tukevat pienempiä magneettisia laitteita ja kompaktimpia tehovaiheita. Jotta nämä hyödyt saisivat turvallisesti, porttiasema, piirilevyn asettelu ja EMI-ohjaus on suunniteltava huolellisesti, jotta nopeat jännitereunat ja soitto pysyvät hallinnassa.
Epitaksiaalinen kasvu HEMT:ille ja HEM-FET:ille
9,1 MBE (molekyylisäteen epitaksia)
• Käyttää erittäin korkeaa tyhjiötä ja erittäin tarkkaa kasvun hallintaa.
• Yleinen tutkimuksessa ja pienivolyymisissa, erittäin suorituskykyisissä HEMT-malleissa.
MOCVD (Metalli-orgaaninen CVD)
• Tukee suurta wafer-läpimenoa.
• Käytetty kaupallisissa GaN- ja GaAs-HEMT-malleissa, tasapainottaen suorituskyvyn ja tuotantokustannusten.
Luotettavuus ja dynaaminen käyttäytyminen HEMTeissä ja HEM-FET:issä
GaN-pohjaiset HEMT- ja HEM-FET-laitteet voivat kohdata luotettavuusongelmia, kun ne kytkeytyvät korkealla jännitteellä ja suurella teholla. Puskurissa, pinnassa tai liitännöissä olevat ansat voivat kerätä varauksen kytkennän aikana, mikä nostaa dynaamista päällekytkentäresistanssia ja katkaisee virran, mikä johtaa virran romahtamiseen verrattuna tasavirtatoimintaan.
Vahvat sähkökentät ja korkeat lämpötilat portin lähellä voivat lisätä lisästressiä. Ajan myötä toistuva kytkentä, lämpö, kosteus tai säteily voivat hitaasti muuttaa arvoja, kuten kynnysjännitettä ja vuotoa, joten hyvä lämpösuunnittelu ja suojaus tukevat pitkäaikaista vakautta.
Yhteenveto
HEMT- ja HEM-FET-käyttäytyminen perustuu 2DEG kanavaan, valittuun materiaalijärjestelmään sekä pHEMT- tai mHEMT-rakenteeseen, joka on muotoutunut parannus- tai tyhjentymismoodin suunnittelun perusteella. Yhdessä MBE- tai MOCVD-kasvun kanssa ansat, dynaaminen vastus ja lämpörajat määrittävät todellisen suorituskyvyn. Tarkat RF- ja tehomallit sekä huolelliset piirilevy- ja pakkausvalinnat pitävät toiminnan vakaana.
Usein kysytyt kysymykset [UKK]
Mitä porttiasemajännitettä GaN HEMT:t tarvitsevat?
Useimmat parannusmoodin GaN HEMT:t käyttävät noin 0–6 V porttiajoa.
Tarvitsevatko HEMT:t erityisiä porttiajureita?
Kyllä. He tarvitsevat nopeita, matalan induktanssin porttiajureita, usein omistettuja GaN-elementtipiirejä.
Mitkä paketit ovat yleisiä HEMTeille ja HEM FET:ille?
RF-HEMT:t käyttävät RF-keraamisia tai pintakiinnitettäviä koteloita. Power GaN HEMT:t käyttävät QFN/DFN-, LGA-, matalan induktanssin virtapaketteja tai joitakin TO-tyylisiä paketteja.
Miten lämpötila vaikuttaa HEMT-suoritukseen?
Korkeampi lämpötila nostaa käynnistysvastusta, vähentää virtaa, vähentää RF-vahvistusta ja lisää vuotoa.
Miten HEMT:t testataan tehomuuntimissa?
Ne tarkistetaan kaksoispulssitestillä, jolla mitataan kytkentäenergiaa, ylitystä, soittoa ja RDS(päällä) mittausta.
Mitkä turvallisuustoimenpiteet ovat tärkeitä korkeajännitteisille GaN HEMTeille?
Käytä vahvistettua eristystä, asianmukaisia sulakkeita tai sulakkeita, ylijännitesuojausta, oikeaa hierintä- ja tilaa, ohjattua DV/dt:tä sekä suojattua porttiajoa.
