Tranzistory s vysokou elektrónovou mobilitou (HEMT a HEM FET) používajú heterospoj a dvojrozmerný elektrónový plynový kanál (2DEG) na dosiahnutie veľmi vysokej rýchlosti, zisku a nízkeho šumu v RF, milimetrových a napájacích obvodoch. Tento článok jasne vysvetľuje ich štruktúru vrstiev, materiály, módy, metódy rastu, spoľahlivosť, modelovanie a rozloženie PCB.
Základy HEMT a HEM FET
Tranzistory s vysokou elektrónovou mobilitou (HEMT alebo HEM FET) sú tranzistory s efektom poľa, ktoré využívajú hranicu medzi dvoma rôznymi polovodičovými materiálmi namiesto jedného, rovnomerne dopovaného kanála ako v MOSFET-e. Táto hranica, nazývaná heterojunkcia, umožňuje elektrónom pohybovať sa veľmi rýchlo v tenkej vrstve s nízkym odporom. Vďaka tomu môžu HEMT prepínať veľmi vysokou rýchlosťou, poskytovať silné zosilnenie signálu a udržiavať nízky šum vo vysokofrekvenčných obvodoch. Bežné materiálové systémy ako GaN, GaAs a InP sa vyberajú na vyváženie rýchlosti, pevnosti napätia a nákladov, takže HEMT sa široko používajú v modernej vysokofrekvenčnej a vysokovýkonnej elektronike.
2DEG kanál v HEMT a HEM FET
V HEMT vysoká mobilita pochádza z veľmi tenkej vrstvy elektrónov nazývanej dvojrozmerný elektrónový plyn (2DEG). Táto vrstva vzniká na hranici medzi vrstvou širokého pásma a kanálom s užšou páskou. Kanál je nedopovaný, takže elektróny sa pohybujú s menším počtom kolízií, čo poskytuje rýchlu a nízkoodporovú cestu prúdu.
Kroky pri tvorbe 2DEG:
• Donorové atómy vo vrstve širokého pásma uvoľňujú elektróny.
• Elektróny sa pohybujú do kanála s úzkou pásmovou medzerou s nižšou energiou.
• Tenká kvantová jama vytvára a zachytáva elektróny v liste.
• Tento 2DEG list slúži ako rýchly kanál ovládaný bránou.
Štruktúra vrstiev v HEMT a HEM FET
n⁺ vrstva kondenzátora (nízka pásmová medzera)
Poskytuje cestu s nízkym odporom pre kontakty zdroja a odtoku. Kryt sa odstráni pod bránou, aby sa kanál udržal pod kontrolou.
3,2 n⁺ širokopásmová donor/bariérová vrstva
Dodáva elektróny, ktoré zapĺňajú 2DEG a pomáha zvládať vysoké elektrické polia.
Nedopovaná podložka
Oddeľuje donory od 2DEG, takže elektróny zažívajú menej zrážok a môžu sa ľahšie pohybovať.
Nedopovaný kanál/buffer s úzkou pásmovou medzerou
Drží 2°G a umožňuje rýchly tok prúdu pri vysokých frekvenciách a vysokých poliach.
Substrát (Si, SiC, zafír, GaAs alebo InP)
Podporuje celú konštrukciu a je vybraný pre zvládanie tepla, cenu a zladenie materiálu; GaN-on-Si a GaN-on-SiC sú bežné v výkonových a RF HEMT.
Materiálové možnosti pre HEMT a HEM FET
| Materiálový systém | Hlavné silné stránky | Typický frekvenčný rozsah |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Nízky šum, stabilný a dobre rozvinutý | Mikrovlna na nízku mmWave |
| InAlAs / InGaAs na InP | Veľmi vysoká rýchlosť, veľmi nízky šum | mmWave a vyššie |
| AlGaN / GaN na SiC alebo Si | Vysoké napätie, vysoký výkon, pripravený na horúce napätie | RF, mikrovlnné, prepínanie napájania |
| Si / SiGe | Funguje to s CMOS, lepšia mobilita než kremík | RF a vysokorýchlostný digitálny |
Štruktúry pHEMT a mHEMT v HEMT a HEM FET
| Typ | Mriežkový prístup | Hlavné výhody | Typické limity/kompromisy |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Používa veľmi tenký, napätý kanál udržiavaný pod kritickou hrúbkou, aby zodpovedal substrátu | Vysoká mobilita elektrónov, nízke defekty, stabilný výkon | Hrúbka kanála je obmedzená; uložený napätie musí byť riadené |
| mHEMT | Používa gradovaný "metamorfovaný" buffer, ktorý pomaly mení mriežkovú konštantu | Umožňuje vysoký obsah india a veľmi vysokú rýchlosť (vysoký fT) | Zložitejší buffer, vyššie riziko defektov kryštálov |
Zosilňovacie a vyčerpané módy v HEMT a HEM FET
HEMT v režime vyčerpania (dHEMT, normálne zapnuté)
• Často sa vyskytuje v štruktúrach AlGaN/GaN, kde sa 2DEG tvorí sám.
• Zariadenie vedie pri VGS = 0V; na vypnutie kanála je potrebné záporné napätie hradla.
• Dokáže dosiahnuť veľmi vysoké úrovne výkonu a vysoké prierazné napätie, ale vyžaduje si zvýšenú starostlivosť, aby bol systém bezpečný v poruche.
HEMT v režime vylepšenia (eHEMT, zvyčajne vypnuté)
• Kanál je nastavený tak, že je vypnutý na VGS = 0V.
• Metódy zahŕňajú zárezy brány, p-GaN bránu alebo fluorínovú úpravu na posun prahu na kladnú hodnotu.
• Správa sa viac ako MOSFET, čo môže uľahčiť ochranu a ovládanie napájacích a automobilových obvodov.
RF a milimetrové vlnové úlohy HEMT a HEM FET
V RF a milimetrových obvodoch sa HEMT a HEM FET široko používajú, pretože dokážu prepínať veľmi rýchlo a pridávajú len malé množstvo šumu do signálu. Ich štruktúra im dáva vysoký zisk a umožňuje pracovať na frekvenciách, kde mnohé kremíkové zariadenia začínajú mať problémy.
V týchto systémoch HEMT často slúžia ako nízkošumové zosilňovače, ktoré zosilňujú slabé signály s minimálnym pridaným šumom, a ako výkonové zosilňovače, ktoré poháňajú silnejšie signály vo vysokých frekvenciách. Pokročilé HEMT technológie dokážu udržať užitočné zosilnenie aj v milimetrovom rozsahu vĺn, takže sa široko využívajú v komunikácii a snímacích obvodoch s veľmi vysokou frekvenciou.
GaN HEMT a HEM FET pri konverzii výkonu
GaN HEMT a HEM FET sa dnes používajú ako hlavné prepínače vo vysoko efektívnych, vysokofrekvenčných výkonových meničoch v rozsahu 100–650 V. Majú oveľa nižšie spínacie straty ako mnohé kremíkové MOSFETy, takže môžu bežať na stovkách kilohertzov alebo dokonca v rozsahu megahertzov a pritom zostávajú efektívne.
Tieto zariadenia tiež ponúkajú nízky odpor pri zapnutí a nízky náboj, čo pomáha znižovať vedenie aj prepínacie straty. Ich silné elektrické pole a dobré zvládanie teploty podporujú menšie magnety a kompaktnejšie výkonové stupne. Aby sa tieto výhody dosiahli bezpečne, musí byť bránový pohon, rozloženie PCB a riadenie EMI starostlivo naplánované tak, aby rýchle napäťové hrany a zvonenie zostali pod kontrolou.
Epitaxiálny rast HEMT a HEM FET
MBE (Molekulárna lúčová epitaxia)
• Používa ultra-vysoký vákuum a veľmi presnú kontrolu rastu.
• Bežné vo výskume a nízkoobjemových, veľmi výkonných HEMT.
MOCVD (kovovo-organická CVD)
• Podporuje vysokú priepustnosť waferov.
• Používa sa pre komerčné HEMT GaN a GaAs, vyvažujúc výkon a výrobné náklady.
Spoľahlivosť a dynamické správanie v HEMT a HEM FET
HEMT a HEM FETy založené na GaN môžu mať problémy so spoľahlivosťou pri prepínaní pri vysokom napätí a vysokom výkone. Pasce v vyrovnávači, povrchu alebo rozhraní môžu počas prepínania zachytávať náboj, čo zvyšuje dynamický zapnutý odpor a prerušuje prúd, čo vedie k kolapsu prúdu v porovnaní s jednosmernou prevádzkou.
Silné elektrické polia a vysoké teploty pri bráne môžu pridávať dodatočný stres. Postupom času sa opakované prepínanie, teplo, vlhkosť alebo žiarenie môžu pomaly meniť hodnoty ako prahové napätie a únik, takže dobrý tepelný dizajn a ochrana podporujú dlhodobú stabilitu.
Záver
Správanie HEMT a HEM FET vychádza z 2DEG kanála, systému vybraného materiálu a štruktúry pHEMT alebo mHEMT, formovanej návrhom režimov zvyšovania alebo vyčerpania. Spolu s rastom MBE alebo MOCVD definujú skutočný výkon sifóny, dynamický odpor a tepelné limity. Presné RF a výkonové modely, ako aj starostlivý výber PCB a balenia, udržiavajú prevádzku stabilnú.
Často kladené otázky [FAQ]
Aké napätie na pohone hradla potrebujú HEMT GaN?
Väčšina GaN HEMT v režime vylepšenia používa približne 0–6 V gate drive.
Potrebujú HEMT špeciálne ovládače brán?
Áno. Potrebujú rýchle ovládače s nízkou indukčnosťou, často vyhradené GaN ovládače integrovaných obvodov.
Ktoré balíky sú bežné pre HEMT a HEM FET?
RF HEMT používajú RF keramické alebo povrchovo montované puzdra. Power GaN HEMT používajú QFN/DFN, LGA, nízkoindukčné výkonové balíky alebo niektoré balíky typu TO.
Ako ovplyvňuje teplota výkon HEMT?
Vyššia teplota zvyšuje zapnutý odpor, znižuje prúd, znižuje RF zosilnenie a zvyšuje únik.
Ako sa testujú HEMT v výkonových meničoch?
Sú kontrolované dvojitým pulzným testom, ktorý meria energiu prepínania, prekročenie, zvonenie a RDS(zapnuté).
Aké bezpečnostné opatrenia sú dôležité pre vysokonapäťové GaN HEMT?
Používajte zosilnenú izoláciu, správne poistky alebo ističe, ochranu proti prepätiu, správny creeding a priestor, kontrolované DV/DT a chránené bránové pohony.
