Transistor mobiliti elektron tinggi (HEMT dan HEM FET) menggunakan saluran heterojunction dan gas elektron dua dimensi (2DEG) untuk mencapai kelajuan yang sangat tinggi, keuntungan dan bunyi rendah dalam RF, gelombang milimeter dan litar kuasa. Artikel ini menerangkan struktur lapisan, bahan, mod, kaedah pertumbuhan, kebolehpercayaan, pemodelan dan susun atur PCB mereka dalam langkah yang jelas.
Asas HEMT dan FET HEM
Transistor mobiliti elektron tinggi (HEMT atau HEM FET) ialah transistor kesan medan yang menggunakan sempadan antara dua bahan semikonduktor berbeza dan bukannya satu saluran doped seragam seperti dalam MOSFET. Sempadan ini, dipanggil heterojunction, membolehkan elektron bergerak dengan sangat cepat dalam lapisan nipis dengan rintangan rendah. Oleh sebab itu, HEMT boleh bertukar pada kelajuan yang sangat tinggi, memberikan keuntungan isyarat yang kuat dan mengekalkan bunyi rendah dalam litar frekuensi tinggi. Sistem bahan biasa seperti GaN, GaAs dan InP dipilih untuk mengimbangi kelajuan, kekuatan voltan dan kos, jadi HEMT melihat penggunaan meluas dalam elektronik frekuensi tinggi dan kuasa tinggi moden.
Saluran 2DEG dalam FET HEMT dan HEM
Dalam HEMT, mobiliti tinggi datang daripada lapisan elektron yang sangat nipis yang dipanggil gas elektron dua dimensi (2DEG). Lapisan ini terbentuk pada sempadan antara lapisan jurang jalur lebar dan saluran jurang jalur yang lebih sempit. Saluran itu tidak didoping, jadi elektron bergerak dengan perlanggaran yang lebih sedikit, memberikan laluan rintangan rendah yang pantas untuk arus.
Langkah-langkah dalam pembentukan 2DEG:
• Atom penderma dalam lapisan jurang jalur lebar membebaskan elektron.
• Elektron bergerak ke saluran jurang jalur sempit tenaga rendah.
• Telaga kuantum nipis membentuk dan memerangkap elektron dalam helaian.
• Lembaran 2DEG ini bertindak sebagai saluran pantas yang dikawal oleh pintu pagar.
Struktur Lapisan dalam HEMT dan FET HEM
n⁺ lapisan penutup (jurang jalur rendah)
Menyediakan laluan rintangan rendah untuk kenalan sumber dan longkang. Penutup dikeluarkan di bawah pintu pagar untuk memastikan saluran terkawal.
n⁺ lapisan penderma/penghalang jurang jalur lebar
Membekalkan elektron yang mengisi 2DEG dan membantu mengendalikan medan elektrik yang tinggi.
Lapisan spacer tanpa tepi
Memisahkan penderma daripada 2DEG supaya elektron melihat lebih sedikit perlanggaran dan boleh bergerak dengan lebih mudah.
Saluran/penampan jurang jalur sempit yang tidak dikendalikan
Memegang 2DEG dan membiarkan arus mengalir dengan cepat pada frekuensi tinggi dan medan tinggi.
Substrat (Si, SiC, nilam, GaAs, atau InP)
Menyokong keseluruhan struktur dan dipilih untuk pengendalian haba, kos, dan padanan bahan; GaN-on-Si dan GaN-on-SiC adalah biasa dalam kuasa dan RF HEMT.
Pilihan Bahan untuk HEMT dan FET HEM
| Sistem bahan | Kekuatan utama | Julat frekuensi biasa |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Bunyi yang rendah, stabil dan dibangunkan dengan baik | Ketuhar gelombang mikro ke mmWave rendah |
| InAlAs / InGaAs pada InP | Kelajuan sangat tinggi, bunyi yang sangat rendah | mmWave dan lebih tinggi |
| AlGaN / GaN pada SiC atau Si | Kekuatan voltan tinggi, kuasa tinggi, sedia panas | RF, gelombang mikro, pensuisan kuasa |
| Si / SiGe | Berfungsi dengan CMOS, mobiliti yang lebih baik daripada silikon | RF dan digital berkelajuan tinggi |
Struktur pHEMT dan mHEMT dalam FET HEMT dan HEM
| Jenis | Pendekatan kekisi | Faedah utama | Had/pertukaran biasa |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Menggunakan saluran yang sangat nipis dan tegang yang disimpan di bawah ketebalan kritikal untuk dipadankan dengan substrat | Mobiliti elektron yang tinggi, kecacatan rendah, prestasi yang stabil | Ketebalan saluran adalah terhad; ketegangan yang disimpan mesti diuruskan |
| mHEMT | Menggunakan penimbal "metamorf" bergred yang perlahan-lahan mengubah pemalar kekisi | Membolehkan kandungan indium yang tinggi dan kelajuan yang sangat tinggi (fT tinggi) | Penampan yang lebih kompleks, risiko kecacatan kristal yang lebih tinggi |
Mod Peningkatan dan Penipisan dalam HEMT dan FET HEM
HEMT mod penipisan (dHEMT, biasanya dihidupkan)
• Selalunya ditemui dalam struktur AlGaN/GaN di mana 2DEG terbentuk dengan sendirinya.
• Peranti menjalankan pada VGS = 0V; voltan pintu negatif diperlukan untuk mematikan saluran.
• Boleh mencapai tahap kuasa yang sangat tinggi dan voltan pecahan yang tinggi tetapi memerlukan penjagaan tambahan untuk menjadikan sistem selamat gagal.
HEMT mod peningkatan (eHEMT, biasanya dimatikan)
• Dibina supaya saluran dimatikan pada VGS = 0V.
• Kaedah termasuk ceruk pintu, pintu p-GaN, atau rawatan fluorin untuk mengalihkan ambang kepada nilai positif.
• Bertindak lebih seperti MOSFET, yang boleh menjadikan litar kuasa dan automotif lebih mudah dilindungi dan dikawal.
Peranan RF dan Gelombang Milimeter HEMT dan FET HEM
Dalam litar RF dan gelombang milimeter, HEMT dan FET HEM digunakan secara meluas kerana ia boleh bertukar dengan sangat pantas dan hanya menambah sedikit bunyi pada isyarat. Struktur mereka memberi mereka keuntungan yang tinggi dan membolehkan mereka bekerja pada frekuensi di mana banyak peranti silikon mula bergelut.
Dalam sistem ini, HEMT sering berfungsi sebagai penguat hingar rendah yang meningkatkan isyarat lemah dengan bunyi tambahan yang minimum, dan sebagai penguat kuasa yang memacu isyarat yang lebih kuat pada frekuensi tinggi. Teknologi HEMT termaju boleh mengekalkan keuntungan berguna dengan baik ke dalam julat gelombang milimeter, jadi ia melihat penggunaan meluas dalam litar komunikasi dan penderiaan frekuensi sangat tinggi.
HEMT GaN dan FET HEM dalam Penukaran Kuasa
GaN HEMT dan FET HEM kini digunakan sebagai suis utama dalam penukar kuasa frekuensi tinggi kecekapan tinggi dalam julat 100–650 V. Mereka mempunyai kehilangan pensuisan yang jauh lebih rendah daripada banyak MOSFET silikon, jadi mereka boleh berjalan pada beratus-ratus kilohertz atau bahkan ke dalam julat megahertz sambil kekal cekap.
Peranti ini juga menawarkan rintangan rendah dan cas rendah, yang membantu mengurangkan kedua-dua kerugian pengaliran dan pensuisan. Medan elektrik mereka yang kuat dan pengendalian suhu yang baik menyokong magnet yang lebih kecil dan peringkat kuasa yang lebih padat. Untuk mendapatkan faedah ini dengan selamat, pemacu pintu, susun atur PCB dan kawalan EMI mesti dirancang dengan teliti supaya tepi voltan pantas dan deringan kekal terkawal.
Pertumbuhan Epitaxial untuk HEMT dan FET HEM
MBE (Epitaxy Rasuk Molekul)
• Menggunakan vakum ultra-tinggi dan kawalan pertumbuhan yang sangat tepat.
• Biasa dalam penyelidikan dan HEMT volum rendah, berprestasi sangat tinggi.
MOCVD (CVD Logam-Organik)
• Menyokong pemprosesan wafer yang tinggi.
• Digunakan untuk HEMT GaN dan GaAs komersial, mengimbangi prestasi dan kos pengeluaran.
Kebolehpercayaan dan Tingkah Laku Dinamik dalam HEMT dan FET HEM
HEMT dan FET HEM berasaskan GaN boleh menghadapi isu kebolehpercayaan apabila ia bertukar pada voltan tinggi dan kuasa tinggi. Perangkap dalam penimbal, permukaan atau antara muka boleh menangkap cas semasa bertukar, yang meningkatkan rintangan dinamik dan memotong arus, yang membawa kepada keruntuhan arus berbanding dengan operasi DC.
Medan elektrik yang kuat dan suhu tinggi berhampiran pintu pagar boleh menambah tekanan tambahan. Lama kelamaan, pensuisan berulang, haba, kelembapan atau sinaran perlahan-lahan boleh mengubah nilai seperti voltan ambang dan kebocoran, jadi reka bentuk dan perlindungan haba yang baik menyokong kestabilan jangka panjang.
Kesimpulannya
Tingkah laku HEMT dan HEM FET datang daripada saluran 2DEG, sistem bahan yang dipilih, dan struktur pHEMT atau mHEMT, dibentuk oleh reka bentuk mod peningkatan atau penipisan. Bersama-sama dengan pertumbuhan MBE atau MOCVD, perangkap, rintangan dinamik dan had haba mentakrifkan prestasi sebenar. Model RF dan kuasa yang tepat serta pilihan PCB dan pembungkusan yang teliti memastikan operasi stabil.
Soalan Lazim [Soalan Lazim]
Apakah voltan pemacu pintu yang diperlukan oleh HEMT GaN?
Kebanyakan HEMT GaN mod peningkatan menggunakan kira-kira pemacu pintu 0–6 V.
Adakah HEMT memerlukan pemacu pintu khas?
Ya. Mereka memerlukan pemacu pintu kearuhan rendah yang pantas, selalunya IC pemacu GaN khusus.
Pakej manakah yang biasa untuk HEMT dan HEM FET?
RF HEMT menggunakan seramik RF atau pakej pelekap permukaan. HEMT GaN kuasa menggunakan pakej kuasa QFN/DFN, LGA, kearuhan rendah atau beberapa pakej gaya TO.
Bagaimanakah suhu menjejaskan prestasi HEMT?
Suhu yang lebih tinggi meningkatkan rintangan, mengurangkan arus, menurunkan keuntungan RF dan meningkatkan kebocoran.
Bagaimanakah HEMT diuji dalam penukar kuasa?
Mereka diperiksa dengan ujian nadi dua untuk mengukur tenaga pensuisan, overshoot, deringan dan RDS (hidup).
Apakah langkah keselamatan yang penting untuk HEMT GaN voltan tinggi?
Gunakan pengasingan bertetulang, fius atau pemutus yang betul, perlindungan lonjakan, rayapan dan pelepasan yang betul, dv/dt terkawal, dan pemacu pintu yang dilindungi.
