Tranzistory s vysokou elektronovou mobilitou (HEMT a HEM FET) využívají heterospoj a dvourozměrný elektronový plynný kanál (2DEG) k dosažení velmi vysokých rychlostí, zesílení a nízkého šumu v RF, milimetrových a výkonových obvodech. Tento článek vysvětluje jejich strukturu vrstev, materiály, režimy, metody růstu, spolehlivost, modelování a rozložení PCB v jasných krocích.
Základy HEMT a HEM FETů
Tranzistory s vysokou elektronovou pohyblivostí (HEMT nebo HEM FET) jsou tranzistory s efektem pole, které využívají hranici mezi dvěma různými polovodičovými materiály místo jediného, rovnoměrně dotovaného kanálu jako u MOSFETu. Tato hranice, nazývaná heterojunction, umožňuje elektronům velmi rychlý pohyb v tenké vrstvě s nízkým odporem. Díky tomu mohou HEMT přepínat velmi vysokou rychlostí, poskytovat silný zisk signálu a udržovat šum nízkou v obvodech s vysokou frekvencí. Běžné materiálové systémy jako GaN, GaAs a InP jsou voleny tak, aby vyvážily rychlost, pevnost napětí a cenu, takže HEMT jsou široce využívány v moderní vysokofrekvenční a výkonné elektronice.
2DEG kanál u HEMT a HEM FETů
U HEMT vysoká mobilita pochází z velmi tenké vrstvy elektronů nazývané dvourozměrný elektronový plyn (2DEG). Tato vrstva vzniká na hranici mezi vrstvou široké bandgapy a kanálem s užší bandgap. Kanál není dopoupaný, takže elektrony se pohybují s menším množstvím srážek, což poskytuje rychlou cestu proudu s nízkým odporem.
Kroky při tvorbě 2DEG:
• Donorové atomy ve vrstvě široké pásmové mezery uvolňují elektrony.
• Elektrony se pohybují do kanálu s úzkou pásmovou mezerou s nižší energií.
• Tenká kvantová jáma vytváří a zachytává elektrony v vrstvě.
• Tento 2DEG list funguje jako rychlý kanál ovládaný hradlem.
Struktura vrstev v HEMT a HEM FETech
n⁺ vrstva kondenzátoru (nízká bandgap)
Poskytuje nízkoodporovou cestu pro kontakty zdroje a odtoku. Krytka se pod bránou odstraní, aby kanál zůstal kontrolován.
3,2 n⁺ široká dárcovská/bariérová vrstva
Dodává elektrony, které vyplňují 2 stopně a pomáhá zvládat vysoká elektrická pole.
Nedotovaná podložka
Odděluje donory od 2DEG, takže elektrony vidí méně kolizí a mohou se snadněji pohybovat.
Nedotovaný kanál/buffer s úzkou pásmovou mezerou
Drží 2°G a nechává proud rychle téct při vysokých frekvencích a silných polích.
Substrát (Si, SiC, safír, GaAs nebo InP)
Podporuje celou konstrukci a je vybírána z hlediska odolnosti vůči teplu, nákladům a shodě materiálu; GaN-on-Si a GaN-on-SiC jsou běžné u výkonových a RF HEMT.
Materiálové možnosti pro HEMT a HEM FETy
| Systém materiálů | Hlavní přednosti | Typický frekvenční rozsah |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Nízký šum, stabilní a dobře vyvinutý | Mikrovlna na nízkou mmWave |
| InAlAs / InGaAs na InP | Velmi vysoká rychlost, velmi nízký šum | mmWave a vyšší |
| AlGaN / GaN na SiC nebo Si | Vysoké napětí, vysoký výkon, připravený k horku | RF, mikrovlnné, spínané napájení |
| Si / SiGe | Funguje to s CMOS, lepší mobilita než silikon | RF a vysokorychlostní digitální |
struktury pHEMT a mHEMT v HEMT a HEM FETech
| Typ | Mřížkový přístup | Hlavní výhody | Typické limity/kompromisy |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Používá velmi tenký, napjatý kanál udržovaný pod kritickou tloušťkou, aby odpovídal substrátu | Vysoká mobilita elektronů, nízký počet defektů, stabilní výkon | Tloušťka kanálu je omezená; uložený kmen musí být řízen |
| mHEMT | Používá gradovaný "metamorfní" buffer, který pomalu mění mřížkovou konstantu | Umožňuje vysoký obsah india a velmi vysokou rychlost (vysoké fT) | Složitější buffer, vyšší riziko krystalových defektů |
Režimy zesílení a vyčerpání u HEMT a HEM FETů
HEMT v režimu vyčerpání (dHEMT, normálně zapnuté)
• Často se vyskytuje ve strukturách AlGaN/GaN, kde se 2DEG tvoří samostatně.
• Zařízení vede při VGS = 0V; k vypnutí kanálu je potřeba záporné napětí hradla.
• Může dosáhnout velmi vysokých výkonových úrovní a vysokého průrazného napětí, ale vyžaduje zvýšenou péči, aby byl systém bezpečný v poruše.
HEMT v režimu vylepšení (eHEMT, obvykle vypnuté)
• Kanál je vypnutý na VGS = 0V.
• Metody zahrnují hradlový zámek, p-GaN hradlo nebo fluorovou úpravu pro posun prahu na kladnou hodnotu.
• Funguje spíše jako MOSFET, což usnadňuje ochranu a řízení napájecích a automobilových obvodů.
RF a milimetrové vlnové role HEMT a HEM FETů
V RF a milimetrových obvodech jsou HEMT a HEM FET široce používány, protože mohou velmi rychle přepínat a přidávat jen malé množství šumu do signálu. Jejich struktura jim dává vysoký zisk a umožňuje jim pracovat na frekvencích, kde mnohá křemíková zařízení začínají mít problémy.
V těchto systémech HEMT často slouží jako nízkošumové zesilovače, které zesilují slabé signály s minimálním přidaným šumem, a jako výkonové zesilovače, které vysílají silnější signály na vysokých frekvencích. Pokročilé technologie HEMT dokážou udržet užitečné zesílení i v milimetrovém rozsahu vln, takže jsou široce využívány v velmi vysokofrekvenčních komunikačních a snímacích obvodech.
GaN HEMT a HEM FETy při konverzi výkonu
GaN HEMT a HEM FET se nyní používají jako hlavní přepínače v vysoce účinných, vysokofrekvenčních měničích výkonu v rozsahu 100–650 V. Mají mnohem nižší ztráty při spínání než většina křemíkových MOSFETů, takže mohou běžet na stovkách kilohertzů nebo dokonce v rozsahu megahertzů a přitom zůstat efektivní.
Tato zařízení také nabízejí nízký odpor při zapnutí a nízký náboj, což pomáhá snižovat jak ztráty při vedení, tak při spínání. Jejich silné elektrické pole a dobrá teplota podporují menší magnetika a kompaktnější výkonové stupně. Aby bylo možné tyto výhody bezpečně dostat, musí být mechanika hradla, uspořádání PCB a řízení EMI pečlivě naplánovány, aby rychlé napěťové hrany a zvonění zůstaly pod kontrolou.
Epitaxiální růst HEMT a HEM FETů
MBE (Molekulární paprsková epitaxe)
• Používá ultra vysoké vakuum a velmi přesnou kontrolu růstu.
• Běžné ve výzkumu a nízkoobjemové, velmi výkonné HEMT.
MOCVD (kovovo-organická CVD)
• Podporuje vysokou propustnost waferů.
• Používá se pro komerční HEMT GaN a GaAs, vyvažující výkon a výrobní náklady.
Spolehlivost a dynamické chování u HEMT a HEM FETů
HEMT a HEM FEMy založené na GaN mohou při přepínání na vysoké napětí a vysoký výkon narazit na problémy se spolehlivostí. Pasti v bufferu, povrchu nebo rozhraní mohou při přepínání zachytávat náboj, což zvyšuje dynamický odpor zapnutí a snižuje proud, což vede ke kolapsu proudu ve srovnání s DC provozem.
Silná elektrická pole a vysoké teploty v blízkosti brány mohou přidávat další stres. Postupem času se opakované přepínání, teplo, vlhkost nebo záření mohou pomalu měnit hodnoty jako prahové napětí a únik, takže dobrý tepelný design a ochrana podporují dlouhodobou stabilitu.
Závěr
Chování HEMT a HEM FET vychází z 2DEG kanálu, systému vybraného materiálu a struktury pHEMT nebo mHEMT, formované návrhem režimů zesílení nebo vyčerpání. Spolu s růstem MBE nebo MOCVD definují skutečný výkon pasti, dynamický odpor a tepelné limity. Přesné RF a výkonové modely spolu s pečlivým výběrem PCB a balení udržují provoz stabilní.
Často kladené otázky [FAQ]
Jaké napětí na hradlovém pohonu potřebují GaN HEMT?
Většina GaN HEMT v režimu vylepšení používá pohon s hradlem kolem 0–6 V.
Potřebují HEMT speciální ovladače brán?
Ano. Potřebují rychlé ovladače s nízkou indukčností, často vyhrazené integrované obvody GaN ovladačů.
Které balíčky jsou běžné pro HEMT a HEM FET?
RF HEMT používají RF keramické nebo povrchově montované pouzdra. Power GaN HEMT používají QFN/DFN, LGA, nízkoindukční napájecí balíky nebo některé systémy typu TO.
Jak teplota ovlivňuje výkon HEMT?
Vyšší teplota zvyšuje zapnutý odpor, snižuje proud, snižuje RF zesílení a zvyšuje úniky.
Jak se testují HEMT v měničích výkonu?
Jsou kontrolovány dvojitým pulzním testem, který měří spínací energii, překročení, zvonění a RDS(zapnuto).
Jaká bezpečnostní opatření jsou důležitá pro vysokonapěťové GaN HEMT?
Používejte zesílenou izolaci, správné pojistky nebo jističe, ochranu proti přepětí, správné creepage a odstupy, řízené DV/DT a chráněné bránové pohony.
