Der HEMT- oder Hochelektronenmobilitätstransistor ist a Art des Feldeffekttransistors (FET) , das verwendet wird, um eine Kombination aus geringem Rauschen und sehr hoher Leistung bei Mikrowellenfrequenzen anzubieten. Dies ist ein wichtiges Gerät für digitale Hochgeschwindigkeits-, Hochfrequenz- und Mikrowellenschaltungen mit rauscharmen Anwendungen. Diese Anwendungen umfassen Computer, Telekommunikation und Instrumentierung. Das Gerät wird auch im HF-Design eingesetzt, wo bei sehr hohen HF-Frequenzen eine hohe Leistung erforderlich ist.

HEMT-Konstruktion (High Electron Mobility Transistor)

Das Schlüsselelement, das zum Aufbau eines HEMT verwendet wird, ist der spezialisierte PN-Übergang. Es ist als Heteroübergang bekannt und besteht aus einem Übergang, der auf beiden Seiten des Übergangs unterschiedliche Materialien verwendet. Anstelle von p-n-Übergang wird ein Metall-Halbleiter-Übergang (in Sperrrichtung vorgespannte Schottky-Barriere) verwendet, bei dem die Einfachheit der Schottky-Barrieren die Herstellung ermöglicht, um geometrische Toleranzen zu schließen.

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 höhere Mobilitäten und Trägerdriftgeschwindigkeiten als Si aufweist.

Schematischer Querschnitt eines HEMT

Bei der Herstellung eines HEMT wird wie folgt vorgegangen, zunächst wird eine intrinsische Schicht aus Galliumarsenid auf die halbisolierende Galliumarsenidschicht aufgebracht. Dies ist nur etwa 1 Mikron dick. Danach wird eine sehr dünne Schicht zwischen 30 und 60 Angström intrinsischem Aluminiumgalliumarsenid auf diese Schicht aufgetragen. Der Hauptzweck dieser Schicht besteht darin, die Trennung der Heteroübergangsgrenzfläche von der dotierten Aluminiumgalliumarsenidregion sicherzustellen.

Dies ist sehr kritisch, wenn die hohe Elektronenmobilität erreicht werden soll. Die dotierte Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid mit einer Dicke von etwa 500 Angström ist darüber angeordnet, wie in den nachstehenden Diagrammen gezeigt. Die genaue Dicke dieser Schicht ist erforderlich, und spezielle Techniken sind zur Steuerung der Dicke dieser Schicht erforderlich.

Es gibt zwei Hauptstrukturen, nämlich die selbstausgerichtete ionenimplantierte Struktur und die Aussparungsgatterstruktur. In einer selbstausgerichteten ionenimplantierten Struktur sind Gate, Drain und Source abgesetzt und im Allgemeinen metallische Kontakte, obwohl die 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 GaAs-FET 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 folgenden Abbildung gezeigt geätzt.

Die Dicke unter dem Gate ist ebenfalls sehr kritisch, da die Schwellenspannung des FET nur durch die Dicke bestimmt wird. Die Größe des Gates und damit des Kanals ist sehr klein. Um eine Hochfrequenzleistung aufrechtzuerhalten, sollte die Größe des Gates typischerweise 0,25 Mikrometer oder weniger betragen.

Querschnittsdiagramme zum Vergleich der Strukturen eines AlGaAs oder GaAs HEMT und eines GaAs

HEMT-Betrieb

Der Betrieb des HEMT unterscheidet sich ein wenig von anderen FET-Typen und ist daher in der Lage, eine sehr viel verbesserte Leistung gegenüber dem Standardübergang oder zu erzielen MOS-FETs und insbesondere in Mikrowellen-HF-Anwendungen. Die Elektronen aus dem n-Typ bewegen sich durch das Kristallgitter und viele bleiben nahe am Heteroübergang. Diese Elektronen in einer Schicht, die nur eine Schicht dick ist, bilden sich als zweidimensionales Elektronengas, wie in der obigen Abbildung (a) gezeigt.

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. Die an das als Schottky-Barrierediode gebildete Gate angelegte Vorspannung wird verwendet, um die Anzahl der Elektronen in dem aus dem 2D-Elektronengas gebildeten Kanal zu modulieren, und dies steuert nacheinander die Leitfähigkeit der Vorrichtung. Die Breite des Kanals kann durch die Gate-Vorspannung geändert werden.

Anwendungen von HEMT

Das HEMT wurde früher für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entwickelt. Aufgrund ihrer geringen Rauschleistung werden sie häufig in Kleinsignalverstärkern, Leistungsverstärkern, Oszillatoren und Mischern eingesetzt, die bei Frequenzen bis zu 60 GHz arbeiten.
HEMT-Geräte werden in einer Vielzahl von RF-Design-Anwendungen eingesetzt, darunter zellulare Telekommunikation, Direktübertragungsempfänger - DBS, Radioastronomie, RADAR (Radio Detection and Ranging System) und wird hauptsächlich in jeder HF-Entwurfsanwendung verwendet, die sowohl eine geringe Rauschleistung als auch sehr hochfrequente Operationen erfordert.
Heutzutage werden HEMTs üblicherweise in integriert integrierte Schaltkreise . Diese monolithischen integrierten Mikrowellen-Schaltungschips (MMIC) werden häufig für HF-Entwurfsanwendungen verwendet

Eine Weiterentwicklung des HEMT ist PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor). Die PHEMTs werden häufig in drahtlosen Kommunikations- und LNA-Anwendungen (Low Noise Amplifier) verwendet. Sie bieten einen hohen Wirkungsgrad und hervorragende Geräusch- und Leistungswerte.

Das ist also alles über Transistor mit hoher Elektronenmobilität (HEMT) Konstruktion, Betrieb und Anwendung. Wenn Sie Fragen zu diesem Thema oder zu elektrischen und elektronischen Projekten haben, hinterlassen Sie die folgenden Kommentare.