Tranzistori visoke elektronske mobilnosti (HEMTs i HEM FET) koriste heterojunction i dvodimenzionalni elektronski gas (2DEG) kanal za postizanje veoma velike brzine, dobitka i niskog nivoa šuma u RF, milimetarskim talasima i strujnim krugovima. Ovaj članak objašnjava njihovu strukturu sloja, materijale, načine, metode rasta, pouzdanost, modeliranje i raspored PCB-a u jasnim koracima.
KSNUMKS. Osnove HEMT-a i HEM FET-a
Tranzistori visoke elektronske mobilnosti (HEMT ili HEM FET) su tranzistori sa efektom polja koji koriste granicu između dva različita poluprovodnička materijala umesto jednog, ravnomerno dopiranog kanala kao u MOSFET-u. Ova granica, nazvana heterojunction, omogućava elektronima da se kreću vrlo brzo u tankom sloju sa malim otporom. Zbog toga, HEMT-ovi mogu da se prebacuju na veoma velikim brzinama, obezbeđuju snažan dobitak signala i održavaju buku na niskom nivou u visokofrekventnim krugovima. Uobičajeni materijalni sistemi kao što su GaN, GaAs i InP izabrani su za balansiranje brzine, snage napona i troškova, tako da HEMT-ovi vide široku upotrebu u modernoj visokofrekventnoj i visokoj energetskoj elektronici.
2DEG kanal u HEMTs i HEM FET
U HEMT-ovima, visoka pokretljivost dolazi iz veoma tankog sloja elektrona koji se zove dvodimenzionalni elektronski gas (2DEG). Ovaj sloj se formira na granici između sloja širokog pojasa i kanala užeg pojasa. Kanal je undoped, tako da se elektroni kreću sa manje sudara, dajući brz put niskog otpora za struju.
Koraci u formaciji 2DEG:
• Atomi donatora u sloju širokog razmaka oslobađaju elektrone.
• Elektroni se kreću u kanal uskog razmaka niže energije.
• Tanka kvantna bušotina formira i zarobljava elektrone u listu.
• Ovaj 2DEG list deluje kao brzi kanal koji kontroliše kapija.
KSNUMKS. Struktura sloja u HEMT-ovima i HEM FET-ovima
N⁺ Cap sloj (nizak razmak)
Obezbeđuje putanju niskog otpora za izvorne i odvodne kontakte. Poklopac se uklanja ispod kapije kako bi se kanal kontrolisao.
n⁺ široki pojasni sloj donatora / barijere
Snabdeva elektrone koji ispunjavaju 2DEG i pomaže u rukovanju visokim električnim poljima.
Nedopirani odstojni sloj
Odvaja donatore od 2DEG tako da elektroni vide manje sudara i mogu se lakše kretati.
Nedopirani kanal / bafer uskog razmaka
Drži 2DEG i omogućava struja brzo teče na visokim frekvencijama i visokim poljima.
Podloga (Si, SiC, safir, GaAs ili InP)
Podržava celu strukturu i izabran je za rukovanje toplotom, troškova i materijala meč; GaN-on-Si i GaN-on-SiC su uobičajeni u snazi i RF HEMT-ovima.
Materijalne opcije za HEMT i HEM FET
| Materijalni sistem | Glavne prednosti | Tipičan frekvencijski opseg |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Nizak nivo buke, stabilan i dobro razvijen | Mikrotalasna na nisku mmVave |
| InAlAs / InGaAs na InP | Veoma velika brzina, veoma nizak nivo buke | mmVave i više |
| AlGaN / GaN na SiC ili Si | Snaga visokog napona, velika snaga, vruće spreman | RF, mikrotalasna, napajanje |
| Si / SiGe | Radi sa CMOS-om, bolja mobilnost od silicijuma | RF i brzi digitalni |
pHEMT i mHEMT strukture u HEMT-ovima i HEM FET-ovima
| Tip | Rešetkasti pristup | Glavne prednosti | Tipična ograničenja / kompromisi |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Koristi veoma tanak, zategnuti kanal koji se drži ispod kritične debljine kako bi odgovarao podlozi | Visoka pokretljivost elektrona, niski nedostaci, stabilne performanse | Debljina kanala je ograničena; uskladišteni soj mora biti upravljan |
| mHEMT | Koristi gradirani "metamorfni" bafer koji polako menja konstantu rešetke | Omogućava visok sadržaj indijuma i veoma veliku brzinu (visok fT) | Složeniji pufer, veći rizik od kristalnih defekata |
KSNUMKS. Režimi poboljšanja i iscrpljivanja u HEMT-ovima i HEM FET-ovima
HEMT-ovi u režimu iscrpljivanja (dHEMT, normalno uključeni)
• Često se nalazi u AlGaN / GaN strukturama gde se 2DEG formira sam od sebe.
• Uređaj sprovodi na VGS = 0V; Potreban je negativan napon kapije za isključivanje kanala.
• Može da dostigne veoma visoke nivoe snage i visok napon probijanja, ali mu je potrebna dodatna pažnja kako bi sistem bio siguran.
HEMT-ovi u režimu poboljšanja (eHEMT, normalno isključeni)
• Izgrađen tako da je kanal isključen na VGS = 0V.
• Metode uključuju udubljenje kapije, p-GaN kapiju ili tretman fluorom za pomeranje praga na pozitivnu vrednost.
• Ponaša se više kao MOSFET, što može olakšati zaštitu i kontrolu strujnih i automobilskih kola.
RF i milimetarske talasne uloge HEMT-a i HEM FET
U RF i milimetarskim talasnim krugovima, HEMT i HEM FET se široko koriste jer mogu da se prebacuju veoma brzo i dodaju samo malu količinu buke signalu. Njihova struktura im daje visok dobitak i omogućava im da rade na frekvencijama gde mnogi silikonski uređaji počinju da se bore.
U ovim sistemima, HEMT često služe kao pojačala sa niskim nivoom šuma koji pojačavaju slabe signale sa minimalnim dodatnim šumom, i kao pojačala snage koja pokreću jače signale na visokoj frekvenciji. Napredne HEMT tehnologije mogu zadržati koristan dobitak i u opsegu milimetarskih talasa, tako da vide široku upotrebu u vrlo visokofrekventnim komunikacijskim i senzorskim krugovima.
GaN HEMT i HEM FET u konverziju snage
GaN HEMT i HEM FET se sada koriste kao glavni prekidači u visokoefikasnim, visokofrekventnim pretvaračima snage u opsegu 100–650 V. Oni imaju mnogo manji gubitak prebacivanja od mnogih silicijumskih MOSFET-ova, tako da mogu da rade na stotinama kiloherca ili čak u opsegu megaherca, a da i dalje ostanu efikasni.
Ovi uređaji takođe nude nizak otpor i nizak naboj, što pomaže u smanjenju gubitaka provođenja i prebacivanja. Njihovo snažno električno polje i dobro rukovanje temperaturom podržavaju manje magnete i kompaktnije faze napajanja. Da biste bezbedno dobili ove prednosti, pogon kapije, raspored PCB-a i kontrola EMI moraju biti pažljivo planirani, tako da brze ivice napona i zvonjava ostanu pod kontrolom.
Epitaksijalni rast za HEMT i HEM FET
MBE (epitaksija molekularnog snopa)
• Koristi ultra visok vakuum i vrlo preciznu kontrolu rasta.
• Uobičajeno u istraživanju i HEMT-ovima malih zapremina, veoma visokih performansi.
MOCVD (metal-organski CVD)
• Podržava visoku propusnost vafla.
• Koristi se za komercijalne GaN i GaAs HEMT-ove, balansirajući performanse i troškove proizvodnje.
Pouzdanost i dinamičko ponašanje u HEMT-ovima i HEM FET-ovima
HEMT-ovi i HEM FET zasnovani na GaN-u mogu naići na probleme pouzdanosti kada se prebacuju na visokom naponu i velikoj snazi. Zamke u međuspremniku, površini ili interfejsima mogu uhvatiti naboj tokom prebacivanja, što podiže dinamički otpor i smanjuje struju, što dovodi do trenutnog kolapsa u poređenju sa DC radom.
Jaka električna polja i visoke temperature u blizini kapije mogu dodati dodatni stres. Vremenom, ponovljeno prebacivanje, toplota, vlažnost ili zračenje mogu polako da menjaju vrednosti kao što su prag napona i curenja, tako da dobar toplotni dizajn i zaštita podržavaju dugoročnu stabilnost.
Zaključak
HEMT i HEM FET ponašanje dolazi iz 2DEG kanala, izabranog sistema materijala i pHEMT ili mHEMT strukture, oblikovane dizajnom režima poboljšanja ili iscrpljivanja. Zajedno sa rastom MBE ili MOCVD, zamke, dinamički otpor i termičke granice definišu stvarne performanse. Precizni RF i modeli snage, plus pažljivi PCB i pakovanje izbori održavaju rad stabilan.
Često postavljana pitanja [FAK]
Šta kapija-pogon napon do GaN HEMTs treba?
Većina GaN HEMT-ova u režimu poboljšanja koristi oko 0–6 V pogon vrata.
Da li HEMT-ovi trebaju posebne drajvere kapija?
Da. Potrebni su im brzi drajveri sa niskom induktivnošću, često posvećeni IC-ovi GaN drajvera.
Koji paketi su zajednički za HEMT i HEM FET?
RF HEMT-ovi koriste RF keramičke ili površinske pakete. Pover GaN HEMTs koriste KFN / DFN, LGA, niske induktivnosti pakete napajanja, ili neke pakete TO-stilu.
Kako temperatura utiče na performanse HEMT?
Viša temperatura podiže otpor, smanjuje struju, smanjuje RF dobitak, i povećava curenje.
Kako se HEMT testiraju u pretvaračima snage?
Oni se proveravaju testom dvostrukog impulsa za merenje energije prebacivanja, prekoračenja, zvonjenja i RDS-a (uključenog).
Koje mere bezbednosti su važne za visokonaponske GaN HEMT?
Koristite ojačanu izolaciju, odgovarajuće osigurače ili prekidače, zaštitu od prenapona, pravilno puzanje i klirens, kontrolisani DV / DT i zaštićeni pogon kapije.
