Ang mga transistor na may mataas na kadaliang kumilos ng elektron (HEMTs at HEM FETs) ay gumagamit ng isang heterojunction at isang dalawang-dimensional na elektron gas (2DEG) channel upang maabot ang napakataas na bilis, pakinabang, at mababang ingay sa RF, millimeter-wave, at power circuit. Ipinaliliwanag ng artikulong ito ang kanilang layer na istraktura, materyales, mode, pamamaraan ng paglago, pagiging maaasahan, pagmomodelo, at layout ng PCB sa malinaw na mga hakbang.
Mga Pangunahing Kaalaman sa HEMTs at HEM FET
Ang mga transistor na may mataas na kadaliang kumilos ng elektron (HEMTs o HEM FETs) ay mga transistor na may epekto sa patlang na gumagamit ng isang hangganan sa pagitan ng dalawang magkakaibang mga materyales na semikonduktor sa halip na isang solong, pare-pareho na doped channel tulad ng sa isang MOSFET. Ang hangganan na ito, na tinatawag na heterojunction, ay nagbibigay-daan sa mga electron na gumalaw nang napakabilis sa isang manipis na layer na may mababang paglaban. Dahil dito, ang mga HEMT ay maaaring lumipat sa napakataas na bilis, magbigay ng malakas na signal gain, at panatilihing mababa ang ingay sa mga high-frequency circuit. Ang mga karaniwang sistema ng materyal tulad ng GaN, GaAs, at InP ay pinili upang balansehin ang bilis, lakas ng boltahe, at gastos, kaya ang mga HEMT ay nakakakita ng malawak na paggamit sa modernong high-frequency at high-power electronics.
2DEG Channel sa HEMTs at HEM FETs
Sa HEMTs, ang mataas na kadaliang kumilos ay nagmumula sa isang napakanipis na layer ng mga electron na tinatawag na dalawang-dimensional na elektron gas (2DEG). Ang layer na ito ay bumubuo sa hangganan sa pagitan ng isang malawak na bandgap layer at isang mas makitid-bandgap channel. Ang channel ay undoped, kaya ang mga electron ay gumagalaw na may mas kaunting mga banggaan, na nagbibigay ng isang mabilis, mababang-paglaban na landas para sa kasalukuyang.
Mga hakbang sa pagbuo ng 2DEG:
• Ang mga atomo ng donor sa malawak na bandgap layer ay naglalabas ng mga electron.
• Ang mga electron ay lumipat sa mas mababang enerhiya na makitid na bandgap channel.
• Ang isang manipis na quantum well ay bumubuo at bitag ang mga electron sa isang sheet.
• Ang 2DEG sheet na ito ay gumaganap bilang isang mabilis na channel na kinokontrol ng gate.
Istraktura ng Layer sa HEMTs at HEM FET
n⁺ cap layer (mababang bandgap)
Nagbibigay ng isang mababang-paglaban landas para sa pinagmulan at alisan ng tubig contact. Tinanggal ang takip sa ilalim ng gate upang mapanatiling kontrolado ang channel.
n⁺ malawak na bandgap donor / barrier layer
Nagbibigay ng mga electron na pumupuno sa 2DEG at tumutulong sa paghawak ng mataas na mga patlang ng kuryente.
Undoped spacer layer
Pinaghihiwalay ang mga donor mula sa 2DEG upang ang mga electron ay nakakakita ng mas kaunting mga banggaan at maaaring gumalaw nang mas madali.
Undoped makitid-bandgap channel / buffer
Hawak ang 2DEG at hinahayaan ang kasalukuyang dumaloy nang mabilis sa mataas na frequency at mataas na patlang.
Substrate (Si, SiC, sapphire, GaAs, o InP)
Sinusuportahan ang buong istraktura at pinili para sa paghawak ng init, gastos, at pagtutugma ng materyal; Ang GaN-on-Si at GaN-on-SiC ay karaniwan sa kapangyarihan at RF HEMTs.
Mga Pagpipilian sa Materyal para sa HEMTs at HEM FET
| Materyal na sistema | Pangunahing kalakasan | Tipikal na saklaw ng dalas |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Mababang ingay, matatag, at mahusay na binuo | Microwave sa mababang mmWave |
| InAlAs / InGaAs sa InP | Napakataas na bilis, napakababang ingay | mmWave at mas mataas |
| AlGaN / GaN sa SiC o Si | Mataas na boltahe lakas, mataas na kapangyarihan, mainit-handa na | RF, microwave, paglipat ng kuryat |
| Si / SiGe | Gumagana sa CMOS, mas mahusay na kadaliang mapakilos kaysa sa silikon | RF at high-speed digital |
Mga Istraktura ng pHEMT at mHEMT sa HEMTs at HEM FET
| Uri | Diskarte sa sala-sala | Pangunahing mga benepisyo | Karaniwang mga limitasyon / tradeoff |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Gumagamit ng isang napakanipis, naipit na channel na pinananatiling mas mababa sa isang kritikal na kapal upang tumugma sa substrate | Mataas na kadaliang kumilos ng elektron, mababang mga depekto, matatag na pagganap | Ang kapal ng channel ay limitado; Dapat pamahalaan ang naka-imbak na strain |
| mHEMT | Gumagamit ng isang graded "metamorphic" buffer na dahan-dahang binabago ang lattice constant | Pinapayagan ang mataas na nilalaman ng indium at napakataas na bilis (mataas na fT) | Mas kumplikadong buffer, mas mataas na panganib ng mga depekto ng kristal |
Mga Mode ng Pagpapahusay at Pagkaubos sa HEMTs at HEM FET
Depletion-mode HEMTs (dHEMT, karaniwang sa)
• Madalas na matatagpuan sa mga istraktura ng AlGaN / GaN kung saan ang isang 2DEG ay bumubuo nang mag-isa.
• Ang aparato ay nagsasagawa sa VGS = 0V; Kinakailangan ang isang negatibong boltahe ng gate upang isara ang channel.
• Maaaring maabot ang napakataas na antas ng kapangyarihan at mataas na boltahe ng pagkasira ngunit nangangailangan ng dagdag na pag-aalaga upang gawing ligtas ang system.
Enhancement-mode HEMTs (eHEMT, karaniwang off)
• Binuo upang ang channel ay naka-off sa VGS = 0V.
• Kasama sa mga pamamaraan ang gate recess, p-GaN gate, o fluorine treatment upang ilipat ang threshold sa isang positibong halaga.
• Kumikilos nang higit pa tulad ng isang MOSFET, na maaaring gawing mas madaling protektahan at kontrolin ang mga circuit ng kuryente at automotive.
Mga Tungkulin ng RF at Millimeter-Wave ng HEMTs at HEM FET
Sa RF at millimeter-wave circuits, ang mga HEMT at HEM FET ay malawakang ginagamit dahil maaari silang lumipat nang napakabilis at magdagdag lamang ng isang maliit na halaga ng ingay sa signal. Ang kanilang istraktura ay nagbibigay sa kanila ng mataas na pakinabang at hinahayaan silang magtrabaho sa mga frequency kung saan maraming mga aparato ng silikon ang nagsisimulang maghirap.
Sa mga sistemang ito, ang mga HEMT ay madalas na nagsisilbing mga amplifier na may mababang ingay na nagpapalakas ng mahinang signal na may kaunting idinagdag na ingay, at bilang mga amplifier ng kapangyarihan na nagtutulak ng mas malakas na signal sa mataas na dalas. Ang mga advanced na teknolohiya ng HEMT ay maaaring mapanatili ang kapaki-pakinabang na pakinabang na rin sa hanay ng millimeter-wave, kaya nakikita nila ang malawak na paggamit sa napakataas na dalas ng komunikasyon at sensing circuit.
GaN HEMTs at HEM FET sa Power Conversion
Ang mga GaN HEMTs at HEM FET ay ginagamit na ngayon bilang mga pangunahing switch sa mataas na kahusayan, mataas na dalas ng mga converter ng kapangyarihan sa saklaw ng 100-650 V. Mayroon silang mas mababang pagkawala ng paglipat kaysa sa maraming silikon MOSFETs, kaya maaari silang tumakbo sa daan-daang kilohertz o kahit na sa hanay ng megahertz habang nananatiling mahusay.
Nag-aalok din ang mga aparatong ito ng mababang paglaban at mababang singil, na tumutulong na i-cut ang parehong pagpapadaloy at paglipat ng pagkalugi. Ang kanilang malakas na patlang ng kuryente at mahusay na paghawak ng temperatura ay sumusuporta sa mas maliit na magnetics at mas compact na mga yugto ng kuryente. Upang makuha ang mga benepisyong ito nang ligtas, ang gate drive, layout ng PCB, at kontrol ng EMI ay dapat na maingat na pinlano upang ang mabilis na mga gilid ng boltahe at pag-ring ay mananatiling kontrolado.
Epitaxial Growth para sa HEMTs at HEM FET
MBE (Molecular Beam Epitaxy)
• Gumagamit ng ultra-mataas na vacuum at napaka-tumpak na kontrol ng paglago.
• Karaniwan sa pananaliksik at mababang dami, napakataas na pagganap ng HEMTs.
MOCVD (Metal-Organic CVD)
• Sinusuportahan ang mataas na throughput ng wafer.
• Ginagamit para sa komersyal na GaN at GaAs HEMTs, pagbabalanse ng pagganap at gastos sa produksyon.
Pagiging maaasahan at Dynamic na Pag-uugali sa HEMTs at HEM FET
Ang mga HEMT at HEM FET na nakabatay sa GaN ay maaaring tumakbo sa mga isyu sa pagiging maaasahan kapag lumipat sila sa mataas na boltahe at mataas na kapangyarihan. Ang mga bitag sa buffer, ibabaw, o mga interface ay maaaring mahuli ang singil sa panahon ng paglipat, na nagtataas ng dynamic na paglaban at pinutol ang kasalukuyang, na humahantong sa kasalukuyang pagbagsak kumpara sa operasyon ng DC.
Ang malakas na mga patlang ng kuryente at mataas na temperatura malapit sa gate ay maaaring magdagdag ng dagdag na stress. Sa paglipas ng panahon, ang paulit-ulit na paglipat, init, kahalumigmigan, o radiation ay maaaring dahan-dahang baguhin ang mga halaga tulad ng boltahe ng threshold at pagtagas, kaya ang mahusay na disenyo ng thermal at proteksyon ay sumusuporta sa pangmatagalang katatagan.
Konklusyon
Ang pag-uugali ng HEMT at HEM FET ay nagmumula sa 2DEG channel, napiling materyal na sistema, at istraktura ng pHEMT o mHEMT, na hinubog ng disenyo ng pagpapahusay o pagkaubos ng mode. Kasama ang paglago ng MBE o MOCVD, ang mga bitag, dynamic na paglaban, at mga limitasyon ng thermal ay tumutukoy sa tunay na pagganap. Ang tumpak na mga modelo ng RF at kapangyarihan kasama ang maingat na mga pagpipilian sa PCB at packaging ay pinapanatili ang operasyon na matatag.
Mga Madalas Itanong [FAQ]
Anong boltahe ng gate-drive ang kailangan ng GaN HEMTs?
Karamihan sa mga enhancement-mode GaN HEMTs ay gumagamit ng tungkol sa 0-6 V gate drive.
Kailangan ba ng mga HEMT ng mga espesyal na driver ng gate?
Oo. Kailangan nila ng mabilis, mababang-inductance gate driver, madalas na nakatuon GaN driver ICs.
Aling mga pakete ang karaniwan para sa HEMTs at HEM FETs?
Ang RF HEMTs ay gumagamit ng RF ceramic o surface-mount packages. Ang Power GaN HEMTs ay gumagamit ng QFN / DFN, LGA, low-inductance power packages, o ilang mga pakete ng estilo ng TO.
Paano nakakaapekto ang temperatura sa pagganap ng HEMT?
Ang mas mataas na temperatura ay nagpapataas ng paglaban, binabawasan ang kasalukuyang, binabawasan ang RF gain, at nagdaragdag ng pagtagas.
Paano nasubok ang mga HEMT sa mga converter ng kuryente?
Ang mga ito ay sinusuri gamit ang isang double-pulse test upang masukat ang paglipat ng enerhiya, overshoot, ringing, at RDS (on).
Anong mga hakbang sa kaligtasan ang mahalaga para sa mataas na boltahe na GaN HEMTs?
Gumamit ng reinforced isolation, tamang fuse o breaker, surge protection, tamang creepage at clearance, kinokontrol na dv/dt, at protektadong gate drive.
