Nagy elektronmobilitású tranzisztor

A High Electron Mobility Transistor (HEMT ) egy térhatású tranzisztor, amely két különböző sávrésű félvezető anyag érintkezését használja fel egy csatorna létrehozására (a hagyományos MOSFET -ekhez hasonlóan adalékolt régió helyett ) [1] . A hazai és külföldi szakirodalomban az ilyen eszközöket gyakran HEMT -nek nevezik - az angolból. Nagy elektronmobilitású tranzisztor . Szintén a szerkezettől függően hasonló elnevezések használatosak: HFET , HEMFET , MODFET , TEGFET , SDHT . Ezen tranzisztorok egyéb elnevezései: térhatású tranzisztorok vezérlő átmenettel fém - félvezető és heteroátmenet, HMeP tranzisztorok, térhatású tranzisztorok modulált adalékkal, szelektíven adalékolt heterostruktúrájú tranzisztorok (SLHT) .

Létrehozási előzmények

Takashi Mimurát ( japánul: 三村高志; Fujitsu , Japán) általában a HDPE feltalálójának tartják [2] . Ray Dingle és munkatársai a Bell Laboratories -nál azonban szintén jelentős mértékben hozzájárultak a HDPE feltalálásához.

Szerkezet

Az ábra egy HEMT tranzisztor felépítését mutatja metszetben. Adalékolatlan GaAs pufferréteget növesztünk félig szigetelő gallium-arzenid (GaAs) szubsztrátumon. Különböző sávszélességű félvezető vékony rétegét - InGaAs - növesztik rá úgy, hogy kétdimenziós elektrongáz (2DEG) tartomány képződik. A réteget felülről vékony alumínium gallium-arzenid Al x Ga 1 – x As (a továbbiakban AlGaAs ) alapú távtartó védi. Fent van egy szilíciummal adalékolt n-AlGaAs réteg és egy erősen adalékolt n + -GaAs réteg a lefolyó- és forrásbetétek alatt. A kapuérintkező közel van a 2D elektrongáz tartományhoz.

A HDPE általános anyagai a GaAs és AlGaAs kombinációi, bár jelentős eltérések lehetségesek az eszköz céljától függően. Például a magas indiumtartalmú eszközök általában jobb teljesítményt mutatnak magas frekvenciákon, míg az utóbbiaknál[ mikor? ] év során a gallium-nitrid (GaN) HDPE kutatása és fejlesztése hatalmas növekedést mutatott , köszönhetően a nagy teljesítményű jobb teljesítményüknek. A GaAs-félvezető anyagoknak jó néhány izostrukturális analógja létezik, amelyek kristályrácsperiódusa közel van a GaAs-hoz . Ez lehetővé teszi, hogy a GaAs-t alapul vegyék a kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkező heterostrukturális tranzisztorok széles osztályának létrehozásához. Ezen anyagok némelyikének paraméterei az 1. táblázatban láthatók.

1. táblázat: A GaAs alapú heterostruktúrák előállításához használt néhány félvezető anyag paraméterei.

Félvezető	Rácsparaméter , nm $a_{0}$	Sávköz , eV _ $\Delta E_{\text{g))$	Elektronmobilitás , cm 2 / V s $\mu _{n}$	Furatok mozgékonysága , cm 2 / V s $\mu _{p}$
GaAs	0,5654	1.42	8500	420
Jaj	0,5661	2.95	n/a	n/a
Ge	0,5658	0,67	3800	1820
InP	0,5869	1.26	4600	150
InAs	0,6057	0,35	27000	450
AlSb	0,6135	2.5	n/a	n/a
InSb	0,6479	0.17	78000	750

A táblázatban felsoroltakon kívül a különféle szilárd oldatok (Al x Ga 1 – x As, Ga x In 1 – x As, Ga x In 1 – x P, Al x In 1 – x As és mások) széles körben elterjedtek. heterostruktúrák létrehozására használják.

Heterojunction létrehozása HDPE-ben

Általában azonos kristályrács-paraméterekkel (az atomok közötti távolságokkal) rendelkező anyagokat választják ki a heterojunkció létrehozásához. Hasonlatosan képzeljük el, hogy két fésűt egymásba kapcsolunk, és a fogak között kissé eltérő osztású. Bizonyos időközök után két fog átfedi egymást. A félvezetőkben az ilyen eltérések hordozó „csapdák” szerepét töltik be, és jelentősen rontják az eszköz teljesítményét. A valóságban szinte lehetetlen olyan különböző p / p párokat felvenni, amelyek tökéletesen illeszkednének mind a kristályszerkezetek , mind a hőtágulási együtthatók között . Ezért a heterojunkciós határfelületen általában mechanikai feszültségek lépnek fel , amelyek hibás illeszkedési diszlokációk megjelenését okozzák, amelyek határállapotokat hoznak létre a határfelületen. Még egy olyan jól illeszkedő pár is, mint a Ge és a GaAs, képlékeny deformációt mutat . Ezért szilárd megoldásokat használnak a szerkezet létrehozásához . Például a Ge helyettesítése Ge 0,98 Si 0,02 szilárd oldattal a határfelületi feszültségek olyan szintre csökkenéséhez vezet, amely kizárja a GaAs képlékeny deformációjának lehetőségét, és javítja a heterocsatlakozás jellemzőit: fordított árama meredeken csökken.

A HEMT tranzisztorokban leggyakrabban a GaAs-AlGaAs heterojunkciót használják. Az AlGaAs szilárd oldatban a relatív Al-tartalom növekedésével a sávrés fokozatosan növekszik. Az x = 0,3 ∆Ez = 1,8 eV összetételű összetételnél a sávköz különbsége ~0,38 eV. A GaAs és AlGaAs kristályrácsainak jó illeszkedésének köszönhetően a heterojunkcióban alacsony a felületi állapotok és hibák sűrűsége. Ezen okok miatt a kapu akkumulációs tartományában felhalmozódott elektronok nagyon nagy mobilitást érnek el gyenge elektromos mezőben , közel az adalékolatlan GaA-k tömeges mobilitásához [(8..9)⋅10 3 cm 2 /V•s T = 300 mellett K] . Ezenkívül ez a mobilitás meredeken növekszik a hőmérséklet csökkenésével, mivel az adalékolatlan GaA-kban a rácsszóródás dominál.

A csatornában az elektronok mobilitása is megnövekszik a GaAs csatorna és az AlGaAs gát közötti további interlayer (spacer) miatt. A távtartó egy vékony (több nm-es) elválasztó réteg adalékolatlan Al x Ga 1-x As. Elősegíti a kétdimenziós elektrongáz és a szórási központok jobb térbeli elválasztását a nem adalékolt GaAs és az adalékolt Al x Ga 1-x As donorok között. A nem adalékolt rétegben a szórási centrumok koncentrációja kisebb, mint az adalékolt rétegben, így a kapu telítési tartományában felhalmozódott elektronok mobilitása tovább növekszik. Ebben az esetben a csatornában lévő elektronok hullámfüggvénye nem hatol be a gátba, hanem a távtartóban lebomlik. Ebben az esetben a hordozó szóródása a gátnál csökken. A távtartó bevezetése javítja az ohmos érintkezést is, ami az üzemi frekvencia határértékének majdnem az elméleti határértékig történő megemeléséhez vezet. [3]

A nem adalékolt GaA és a donor szennyeződésekkel, például Si, Al x Ga 1-x As adalékolt heterotranszformációjának egyensúlyi energiadiagramja

A nem adalékolt GaAs -ban a Fermi-szint a sávrés majdnem közepén, az adalékolt Al x Ga 1-x As-ban pedig a vezetési sáv (E c ) aljának közelében található . A GaAs-ban az 5 2-x p/p határfelületen a minimális elektronenergiával rendelkező 3. tartomány jön létre. Az ionizált szennyező atomok szabad elektronjai "gurulnak" ebbe a tartományba egy szélesebb sávszélességű p/n-ből. Ennek eredményeként az elektronok és az azokat kompenzáló ionizált szennyezőatomok térbeli szétválása következik be. A 3. tartományban felhalmozódott elektronok potenciálüregben vannak, és gyenge elektromos térben csak az 5. határ mentén, az ábra síkjára merőleges síkban tudnak mozogni. Ezért a 3. tartomány elektronhalmazát kétdimenziós elektrongáznak nevezzük , ezzel is hangsúlyozva, hogy gyenge mezőben ezek az e − nem tudnak mozogni a harmadik dimenzióban, azaz nem mozoghatnak például a 3. tartományból a 4. tartományba. , mivel ezt egy ∆ E c ≈ (0,6 ÷ 0,65) potenciálgát akadályozza meg (∆E s2 - ∆E s1 ).

Az elektrongáz mozgékonyságának hőmérsékletfüggése. 1 - heterostruktúra; 2 - GaAs. A 2. ábra (1. görbe) mutatja az elektrongáz mozgékonyságának ebben az esetben kapott hőmérsékletfüggését. A folyékony nitrogén (77 K) és a folyékony hélium (4 K) hőmérsékletén a μn 1,4⋅10 5 , illetve 2⋅10 6 cm²/V•s-ra növekszik. Ugyanez az ábra (2. görbe) mutatja μn hőmérsékletfüggését GaAs-ban Nd = 1017 cm – 3 koncentráció mellett .

Pszeudomorf heterojunkció

A HDPE-t, amelyben a heterojunkciós rétegek kristályrácsparaméterének megfelelési szabálya nem figyelhető meg, pszeudomorfnak (pTVPE vagy pHEMT) nevezzük. Ehhez az egyik anyagból egy réteget nagyon vékonyra készítenek - olyannyira, hogy a kristályrácsát egyszerűen megnyújtják, hogy illeszkedjen a másik anyaghoz. Ezzel a módszerrel olyan szerkezetek készíthetők, amelyeknél megnövekedett a sávrés különbség, ami más módon nem érhető el. Az ilyen eszközök teljesítménye jobb.

Metamorf heterojunkció

A különböző ráccsal rendelkező anyagok kombinálásának másik módja az, hogy pufferréteget helyezünk közéjük. Ezt alkalmazzák a metamorf HDPE-ben (mHPE vagy mHEMT). A pufferréteg AlInAs, az indium koncentrációját úgy választottuk meg, hogy a pufferréteg rácsát mind a GaAs szubsztráttal, mind az InGaAs csatornával össze lehessen illeszteni. Ennek a szerkezetnek az az előnye, hogy szinte bármilyen indiumkoncentrációt ki lehet választani egy csatorna létrehozásához, azaz a készülék különféle alkalmazásokhoz optimalizálható (alacsony indiumkoncentráció alacsony zajszintet , a magas indiumkoncentráció pedig nagyobb erősítést biztosít) .

Hogyan működik

Általában az adalékanyagokat a félvezetők vezetőképességének létrehozására használják. Az így létrejövő vezetési elektronok azonban ütközést tapasztalnak szennyezőmagokkal, ami hátrányosan befolyásolja a hordozók mobilitását és az eszköz sebességét. HDPE-ben ez elkerülhető, mivel nagy mobilitású elektronok generálódnak egy nagy sávszélességű, erősen adalékolt N-típusú donorréteg (példánkban AlGaAs) és egy adalékolatlan csatornaréteg érintkezési tartományának heterojunkciójában. szűk sávszélesség adalékanyagok nélkül (jelen esetben GaAs).

A vékony N-típusú rétegben keletkező elektronok teljesen átkerülnek a GaAs rétegbe, kimerítve az AlGaAs réteget. A kimerülés a potenciális dombormű meghajlása miatt következik be a heterojunkcióban - a különböző sávközű félvezetők között kvantumkút képződik . Így az elektronok képesek gyorsan mozogni anélkül, hogy az adalékolatlan GaAs rétegben lévő szennyeződésekkel ütköznének. Nagyon vékony réteg képződik nagy koncentrációjú nagy mobilitású elektronokkal, amelyek egy kétdimenziós elektrongáz (2DEG) tulajdonságaival rendelkeznek. A csatorna ellenállása nagyon alacsony, és a hordozók mobilitása magas.

Csakúgy, mint más típusú térhatású tranzisztoroknál, a HDPE kapujára adott feszültség megváltoztatja a csatornaréteg vezetőképességét.

A TVPE - tranzisztor működési elve hasonló a MeP tranzisztor működési elvéhez. A fémkapu és az alatta elhelyezkedő AlGaA-réteg között egy Fém - Félvezető (a továbbiakban: Me - p / p) vezérlőátmenet jön létre. Ennek az átmenetnek a kimerülési régiója főleg az AlGaAs rétegekben található. Az alaphelyzetben nyitott tranzisztor csatornája a kétdimenziós elektrongáz felhalmozódási tartományában egy adalékolatlan GaAs rétegben jön létre a heterocsatlakozás határán. A vezérlőfeszültség hatására megváltozik a Me-p/n átmenet kimerült tartományának vastagsága, a 2DEG-ben az elektronkoncentráció és a lefolyóáram. Az elektronok a forrásból belépnek az akkumulációs tartományba. Kellően nagy (abszolút értékben) negatívnál a kimerülési tartomány annyira kitágul, hogy átfedi az elektrontelítettség tartományát. A leeresztő áram leáll. $U_{\text{gs}}<0$ $U_{\text{gs))$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

Egy normál zárt tranzisztorban a felső AlGaAs réteg vékonyabb vastagsága miatt nincs vezető csatorna, mivel a kétdimenziós elektrongáz telítési tartományát blokkolja a szabályozó átmenet kimerülési tartománya. A csatorna valamilyen pozitív értéken jelenik meg , amikor a szabályozó átmenet kimerülési tartománya annyira leszűkül, hogy alsó határa az elektronakkumulációs tartományba esik. $U_{\text{gs}}=0$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

Jellemzők

Az alaphelyzetben nyitott (1) és alaphelyzetben zárt (2) tranzisztorok kapukarakterisztikája a 4. ábrán látható. Az elektronok nagy mobilitása miatt, és gyakorlatilag az U g teljes tartományában alacsony , az elektronsodródási sebesség telítettsége a csatornában ( V sat ) elérjük, és I c lineáris függését U gs -tól . $L_{\text{g))$

I_{c}=S^{*}\cdot (U_{g}-U_{f}-E_{kp}L_{g})

hol van a kritikus térerősség; ${\displaystyle E_{kp))$

S^{*}=S/(1+R_{s}\cdot S)

hol van a forrásellenállás, . $R_{s}$ $S=\epsilon _{0}\epsilon _{f}^{2}V_{sat}\cdot b/dk$

Az (1) görbére S*/b = 117 mS/mm, a (2) görbére – 173 mS/mm. Az n.z meredekségének nagyobb értéke. a tranzisztor az Al x Ga 1-x As kisebb vastagságának köszönhető, amely donorokkal adalékolt .

A HEMT tranzisztorok fontos előnye a MeP tranzisztorok szerkezetéhez képest az Al x Ga 1-x As és a dielektrikum határfelületén lévő felületi állapotok kisebb sűrűsége, valamint a Schottky-gát nagyobb magassága (φ 0g ≈ 1 ). V). A felületi állapotok kisebb sűrűsége miatt csökken a negatív felületi töltés és a kimerült területek vastagsága a FORRÁS-GATE és a GATE-DRAIN résekben. Ez lehetővé teszi a kimerült régiók alacsonyabb parazita rezisztenciájának elérését önvéletlen nélkül. A Schottky-sorompó nagyobb magassága miatt a HEMT tranzisztoroknál nagyobb (akár 0,8 V-os) U gs előremenő feszültség is lehetséges , ami különösen fontos az alaphelyzetben zárt tranzisztorok esetében, amelyek kapuin az üzemi feszültségek csak egy idő alatt változhatnak. szűk tartomány, felülről a vezérlőátmenet Me - p / p feszültsége korlátozza. A HEMT tranzisztorok impulzus- és frekvenciatulajdonságait elsősorban az elektronok átrepülési ideje határozza meg a csatornán, ahol telítési sebességgel mozognak: . T = 300 K ≈ 2∙10 7 cm/s mellett. A hőmérséklet csökkenésével a telítési arány a törvény szerint ~ 1/T növekszik. A logikai IC -k családját jellemző egyik legfontosabb paraméter a fordulatszám és a teljesítmény szorzata ( ), amely az egy szelep által disszipált teljesítmény és a szelep késleltetési idejének szorzata. Egy másik összehasonlító jellemző az egyik szelep által disszipált teljesítmény és a szelep késleltetési idejének négyzete ( ), amely az energia és az idő szorzata. A 2. táblázat a CMOS, MeP, HEMT IC-k összehasonlító jellemzőit mutatja szobahőmérsékleten. ${\displaystyle \tau _{k}=L_{g}/V_{sat))$ ${\displaystyle V_{sat))$ ${\displaystyle V_{sat))$ ${\displaystyle P\times \tau _{k))$ ${\displaystyle P\times \tau _{k}^{2))$

2. táblázat CMOS, MeP, HEMT IC-k összehasonlító jellemzői szobahőmérsékleten.

tranzisztor típus	l k , µm (L g , µm)	Р, mW/vent	$\tau_{k}$ , ns	${\displaystyle P\times \tau _{k))$ , J∙10 −15 (fJ)	${\displaystyle P\times \tau _{k}^{2))$ , J∙s∙10 −26
MeP	0.3	0,75	16	12	19.2
HEMT	1.0	1.1	12.2	13.4	16.4
CMOS	1.0	1.8	ötven	90	450

A HDPE fő hátránya a kapu tehetetlensége és a kapu meghibásodása .

Alkalmazás

A TVET, valamint a fém-félvezető térhatású tranzisztorok ( eng. MESFET ) hatóköre - kommunikáció mikrohullámú és milliméteres hullámtartományban, radar és rádiócsillagászat , a mobiltelefonoktól [4] és a szélessávú műholdvevőktől az elektronikusig érzékelőrendszerek - ez minden olyan eszköz, amely nagy fokú jelerősítést és alacsony zajszintet igényel magas frekvenciákon. A HDPE-k 600 GHz feletti frekvenciákon áramot, 1 THz feletti frekvenciákon pedig teljesítményerősítést képesek felerősíteni. 2005 áprilisában bemutatták a 600 GHz feletti frekvenciákon áramerősítéssel rendelkező heterojunkciós bipoláris tranzisztorokat ( eng. HBT ). 2010 januárjában egy japán és európai tudóscsoport bemutatott egy terahertzes HDPE-t, amelynek működési frekvenciája (teljes félcsúcsszélességű FWHM) 2,5 THz [5]

A világon számos vállalat fejleszt és gyárt HDPE-eszközöket. Ezek lehetnek különálló tranzisztorok, de gyakrabban gyártják az eszközöket monolitikus integrált áramkör formájában (mikrohullámú MIS, eng. MMIC ).

Jegyzetek

↑ Szöveg PersT 6_8 (elérhetetlen link)
↑ Mimura, T. A nagy elektronmobilitású tranzisztor (HEMT) korai története . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50 3 780-782 (2002). doi: 10,1109/22,989961
↑ Szöveg PersT 6_18 (elérhetetlen link)
↑ KÜLÖNLEGES FELTÉTELEK : tranzisztor _ A. F. Ioffe (hozzáférhetetlen link) Archiválva : 2014. január 18.
↑ A terahertzes tranzisztor emissziós frekvenciájának kapuvezérlése // Semiconductor Today (2010. január 28. )

Lásd még

Irodalom

Sheng S. Li. Félvezető fizikai elektronika. - Második kiadás. - Springer, 2006. - 708 p. — ISBN 978-0387-28893-2 .

Linkek

Mezőhatású tranzisztorok szabályozott fém-félvezető átmenettel és heteroátmenettel .

Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4211873-6