Korkean elektronin liikkuvuuden transistori

High Electron Mobility Transistor (HEMT ) on kenttätransistori , joka käyttää kahden eri kaistavälin omaavan puolijohdemateriaalin kosketusta kanavan luomiseen (seostetun alueen sijaan, kuten tavanomaisissa MOSFET :issä ) [1] . Kotimaisessa ja ulkomaisessa kirjallisuudessa tällaisia laitteita kutsutaan usein nimellä HEMT - englannista. Korkean elektronin liikkuvuuden transistori . Myös rakenteesta riippuen käytetään samanlaisia nimiä: HFET , HEMFET , MODFET , TEGFET , SDHT . Muut nimet näille transistoreille: kenttätransistorit ohjausliitoksella metalli -puolijohde ja heteroliitos, HMeP-transistorit, kenttätransistorit moduloidulla dopingilla, selektiivisesti seostetut heterorakennetransistorit (SLHT) .

Luontihistoria

Takashi Mimuraa ( japaniksi: 三村高志; Fujitsu , Japani) pidetään yleisesti HDPE:n keksijänä [2] . Ray Dingle ja hänen työtoverinsa Bell Laboratoriesissa antoivat kuitenkin myös merkittävän panoksen HDPE:n keksimiseen.

Rakenne

Kuvassa on HEMT-transistorin rakenne poikkileikkauksessa. Seostamaton GaAs-puskurikerros kasvatetaan puolieristävällä galliumarsenidi (GaAs) -substraatilla. Sen päälle kasvatetaan ohut kerros puolijohdetta, jolla on erilainen kaistaväli - InGaAs , niin että muodostuu kaksiulotteisen elektronikaasun alue (2DEG). Ylhäältä kerrosta suojaa ohut alumiinigalliumarsenidiin Al x Ga 1 – x As (jäljempänä AlGaAs ) perustuva välike. Yllä on piillä seostettu n-AlGaAs-kerros ja voimakkaasti seostettu n + -GaAs- kerros tyhjennys- ja lähdetyynyjen alla. Hilakosketin on lähellä 2D-elektronikaasualuetta.

Yleiset materiaalit HDPE:lle ovat GaA:n ja AlGaA:n yhdistelmä, vaikka merkittävät vaihtelut ovat mahdollisia laitteen käyttötarkoituksesta riippuen. Esimerkiksi laitteet, joissa on korkea indiumpitoisuus , osoittavat yleensä parempaa suorituskykyä korkeilla taajuuksilla, kun taas jälkimmäisillä[ milloin? ] vuotta, galliumnitridi (GaN) HDPE :n tutkimus ja kehitys on lisääntynyt valtavasti niiden paremman suorituskyvyn ansiosta suurilla tehoilla. GaAs-puolijohdemateriaalien isorakenteisia analogeja, joiden kidehilajakso on lähellä GaAs:a, on olemassa melko paljon . Tämä mahdollistaa GaA:n käytön perustana laajan luokan heterorakenteisten transistorien luomiseen, joilla on erinomaiset ominaisuudet. Joidenkin näiden materiaalien parametrit on esitetty taulukossa 1.

Taulukko 1. Joidenkin GaAs-pohjaisten heterorakenteiden valmistukseen käytettyjen puolijohdemateriaalien parametrit.

Puolijohde	Hilaparametri , nm $a_{0}$	Kaistaväli , eV _ $\Delta E_{\text{g))$	Elektronien liikkuvuus , cm 2 / V s $\mu _{n}$	Reikien liikkuvuus , cm 2 / V s $\mu _{p}$
GaAs	0,5654	1.42	8500	420
Valitettavasti	0,5661	2.95	n/a	n/a
Ge	0,5658	0,67	3800	1820
P: ssä	0,5869	1.26	4600	150
InAs	0,6057	0,35	27 000	450
AlSb	0,6135	2.5	n/a	n/a
InSb	0,6479	0.17	78 000	750

Taulukossa lueteltujen lisäksi erilaisia kiinteitä liuoksia (Al x Ga 1 – x As, Ga x In 1 – x As, Ga x In 1 – x P, Al x In 1 – x As ja muita) on laajalti saatavilla. käytetään heterorakenteiden luomiseen.

Heteroliitoksen luominen HDPE:hen

Yleensä materiaalit, joilla on sama kidehilaparametri (atomien väliset etäisyydet), valitaan heteroliitoksen luomiseksi. Kuvittele analogisesti, että yhdistät kaksi kampaa, joiden hampaiden väli on hieman erilainen. Tietyn ajan kuluttua kaksi hammasta menevät päällekkäin. Puolijohteissa tällaiset yhteensopimattomuudet toimivat kantoaallon "ansaina" ja heikentävät merkittävästi laitteen suorituskykyä. Todellisuudessa on lähes mahdotonta poimia eri p/p-paria, jolla olisi täydellinen yhteensopivuus sekä kiderakenteiden että lämpölaajenemiskertoimien kanssa . Siksi heteroliitosrajapinnassa esiintyy yleensä mekaanisia rasituksia , jotka aiheuttavat sopimattomien dislokaatioiden ilmaantumista, jotka luovat rajatiloja. Jopa niin hyvin yhteensopivalla parilla kuin Ge ja GaAs on plastinen muodonmuutos . Siksi rakenteen luomiseen käytetään kiinteitä ratkaisuja . Esimerkiksi Ge:n korvaaminen Ge 0,98 Si 0,02 kiinteällä liuoksella johtaa jännitysten laskuun rajapinnalla tasolle, joka sulkee pois mahdollisuuden GaAs:n plastiseen muodonmuutokseen ja parantaa heteroliitoksen ominaisuuksia: sen käänteisvirta pienenee jyrkästi.

HEMT-transistoreissa käytetään useimmiten GaAs-AlGaAs-heteroliitosta. AlGaAs-kiinteän liuoksen suhteellisen Al-pitoisuuden kasvaessa kaistaväli vähitellen kasvaa. Koostumukselle, jonka x = 0,3 ∆Ez = 1,8 eV, ero kaistavälissä on ~0,38 eV. GaAs:n ja AlGaAs:n kidehilojen hyvän yhteensopivuuden ansiosta heteroliitoksessa on pieni pintatilojen ja virheiden tiheys. Näistä syistä saavutetaan erittäin suuri liikkuvuus elektroneille, jotka kerääntyvät hila-akkumulaatioalueelle heikoissa sähkökentissä , lähellä massaliikkuvuutta seostamattomille GaA:ille [(8..9)⋅10 3 cm 2 /V•s, kun T = 300 K]. Lisäksi tämä liikkuvuus kasvaa jyrkästi lämpötilan alenemisen myötä, koska hilasironta on vallitsevassa seostamattomassa GaA:ssa.

Elektronien liikkuvuus kanavassa kasvaa myös GaAs-kanavan ja AlGaAs-esteen välisen ylimääräisen välikerroksen (spacer) ansiosta. Välike on ohut (useita nm) erottava kerros seostamatonta Al x Ga 1-x As. Se edistää kaksiulotteisen elektronikaasun ja sirontakeskusten parempaa avaruudellista erottamista seostamattomien GaAs- ja seostettujen Al x Ga 1-x As -luovuttajien välillä. Seostamattomassa kerroksessa sirontakeskusten pitoisuus on pienempi kuin seostetussa kerroksessa, joten hilan kyllästysalueelle kerääntyneiden elektronien liikkuvuus kasvaa entisestään. Tällöin kanavassa olevien elektronien aaltofunktio ei tunkeudu esteeseen, vaan vaimenee välikappaleessa. Tässä tapauksessa kantoaallon sironta esteessä vähenee. Välikkeen käyttöönotto parantaa myös ohmista kosketusta, mikä johtaa käyttötaajuusrajan nousuun lähes teoreettiselle rajalle. [3]

Tasapainoenergiakaavio seostamattomien GaA:iden ja donorepäpuhtauksilla seostettujen, esim. Si, Al x Ga 1-x As , välisestä heteroliitoksesta

Seostamattomassa GaA :ssa Fermi-taso sijaitsee melkein kaistavälin keskellä ja seostetussa Al x Ga 1-x As:ssa lähellä johtavuuskaistan (E c ) alaosaa. GaAs:ssa rajapinnalle 5 2-x p/p muodostuu alue 3, jolla on pienin elektronienergia. Ionisoituneiden epäpuhtausatomien vapaat elektronit "kiertyvät" tälle alueelle p/n:stä, jolla on leveämpi kaistaväli. Tuloksena tapahtuu elektronien ja niitä kompensoivien ionisoituneiden epäpuhtausatomien avaruudellinen erottuminen. Alueelle 3 kerääntyneet elektronit ovat potentiaalikaivossa ja heikoissa sähkökentissä voivat liikkua vain rajaa 5 pitkin tasossa, joka on kohtisuorassa kuvan tasoon nähden. Siksi alueella 3 olevaa elektronijoukkoa kutsutaan kaksiulotteiseksi elektronikaasuksi , mikä korostaa, että heikoissa kentissä nämä e - eivät voi liikkua kolmannessa ulottuvuudessa, eli ne eivät voi liikkua esimerkiksi alueelta 3 alueelle 4 , koska tämän estää potentiaalieste ∆ E c ≈ (0,6 ÷ 0,65) (∆E s2 - ∆E s1 ).

Elektronikaasun liikkuvuuden lämpötilariippuvuus. 1 - heterorakenne; 2 - GaAs. Kuva 2 (käyrä 1) esittää tässä tapauksessa saadun elektronikaasun liikkuvuuden lämpötilariippuvuuden. Nestemäisen typen (77 K) ja nestemäisen heliumin (4 K) lämpötiloissa μn kasvaa arvoon 1,4⋅10 5 ja 2⋅10 6 cm²/V•s, vastaavasti. Sama kuva (käyrä 2) esittää μn:n lämpötilariippuvuutta GaAs:ssa pitoisuudella Nd = 1017 cm – 3 .

Pseudomorfinen heteroliitos

HDPE:tä, jossa heteroliitoskerrosten kidehilaparametrin vastaavuussääntöä ei noudateta, kutsutaan pseudomorfiseksi (pTVPE tai pHEMT). Tätä varten kerros yhdestä materiaalista tehdään erittäin ohueksi - niin paljon, että sen kidehila yksinkertaisesti venytetään vastaamaan toista materiaalia. Tällä menetelmällä voidaan valmistaa rakenteita, joissa on lisääntynyt ero kaistavälissä, mikä ei ole saavutettavissa muilla tavoilla. Tällaiset laitteet ovat parantaneet suorituskykyä.

Metamorfinen heteroliitos

Toinen tapa yhdistää materiaaleja erilaisilla ritiloilla on sijoittaa puskurikerros niiden väliin. Tätä käytetään metamorfisessa HDPE:ssä (mHPE tai mHEMT). Puskurikerros on AlInAs, jonka indiumpitoisuus on valittu siten, että puskurikerroksen hila voidaan sovittaa sekä GaAs-substraatin että InGaAs-kanavan kanssa. Tämän rakenteen etuna on kyky valita melkein mikä tahansa indiumpitoisuus kanavan luomiseksi, eli laite voidaan optimoida erilaisiin sovelluksiin (alhainen indiumpitoisuus tarjoaa alhaisen kohinan ja korkea indiumpitoisuus lisää vahvistusta) .

Kuinka se toimii

Yleensä seostusaineita käytetään luomaan johtavuutta puolijohteisiin. Tuloksena olevat johtavuuselektronit kuitenkin kokevat törmäyksiä epäpuhtausytimien kanssa, mikä vaikuttaa haitallisesti kantajien liikkuvuuteen ja laitteen nopeuteen. HDPE:ssä tämä vältetään, koska suuren liikkuvuuden elektroneja syntyy heteroliitoksessa erittäin seostetun N-tyypin donorikerroksen kontaktialueella, jolla on laaja kaistaväli (esimerkissämme AlGaAs) ja seostamattomassa kanavakerroksessa, jossa on kapea bandgap ilman lisäaineita (tässä tapauksessa GaAs).

Ohuessa N-tyypin kerroksessa tuotetut elektronit siirtyvät kokonaan GaAs-kerrokseen, mikä kuluttaa AlGaAs-kerroksen. Eppiminen tapahtuu heteroliitoksen potentiaalisen kohokuvion taipumisen seurauksena - eri kaistavälien puolijohteiden väliin muodostuu kvanttikuoppa . Siten elektronit voivat liikkua nopeasti ilman törmäyksiä seostamattoman GaAs-kerroksen epäpuhtauksien kanssa. Muodostuu erittäin ohut kerros, jossa on suuri pitoisuus erittäin liikkuvia elektroneja, joilla on kaksiulotteisen elektronikaasun (2DEG) ominaisuuksia. Kanavan vastus on erittäin alhainen, ja kantajien liikkuvuus siinä on korkea.

Aivan kuten muissakin kenttätransistoreissa, HDPE:n hilaan syötetty jännite muuttaa kanavakerroksen johtavuutta.

TVPE-transistorin toimintaperiaate on samanlainen kuin MeP-transistorin toimintaperiaate. Metalliportin ja sen alla olevan AlGaA-kerroksen väliin muodostuu ohjaussiirtymä Metalli - Semiconductor (jäljempänä Me - p / p). Tämän siirtymän ehtymisalue sijaitsee pääasiassa AlGaAs-kerroksissa. Normaalisti avoimen transistorin kanava on muodostettu seostamattomaan GaAs-kerrokseen heteroliitoksen rajalla kaksiulotteisen elektronikaasun kerääntymisalueella. Ohjausjännitteen vaikutuksesta Me-p/n-siirtymän tyhjennetyn alueen paksuus, elektronipitoisuus 2DEG:ssä ja nieluvirta muuttuvat. Elektronit tulevat akkumulaatioalueelle lähteestä. Riittävän suurella (absoluuttisella arvolla) negatiivisella puolella tyhjennysalue laajenee niin paljon, että se menee päällekkäin elektronien kyllästymisalueen kanssa. Tyhjennysvirta pysähtyy. $U_{\text{gs}}<0$ $U_{\text{gs))$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

Normaalisti suljetussa transistorissa, johtuen ylemmän AlGaAs-kerroksen ohuemmasta paksuudesta kohdassa , ei ole johtavaa kanavaa, koska kaksiulotteisen elektronikaasun kyllästysalue on estetty ohjaussiirtymän tyhjennysalueella. Kanava ilmestyy jossain positiivisessa arvossa , kun ohjaussiirtymän tyhjennysalue kapenee niin paljon, että sen alaraja putoaa elektronien kertymisen alueelle. $U_{\text{gs}}=0$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

Ominaisuudet

Normaalisti auki olevien (1) ja normaalisti suljettujen (2) transistoreiden hila-ominaisuudet on esitetty kuvassa 4. Elektronien suuresta liikkuvuudesta ja alhaisesta käytännössä koko Ugs -alueella elektronien ryömintänopeuden kyllästyminen kanavassa ( V sat ) saavutetaan ja I c :n lineaarinen riippuvuus U gs :stä . $L_{\text{g))$

I_{c}=S^{*}\cdot (U_{g}-U_{f}-E_{kp}L_{g})

missä on kriittinen kentänvoimakkuus; ${\displaystyle E_{kp))$

S^{*}=S/(1+R_{s}\cdot S)

missä on lähteen vastus, . $R_{s}$ $S=\epsilon _{0}\epsilon _{f}^{2}V_{sat}\cdot b/dk$

Käyrällä (1) S*/b = 117 mS/mm, käyrällä (2) - 173 mS/mm. Mitä suurempi jyrkkyyden arvo on n.z. transistori johtuu pienemmästä Al x Ga 1-x As :n paksuudesta, joka on seostettu luovuttajilla .

HEMT-transistorien tärkeä etu MeP-transistorien rakenteeseen verrattuna on pienempi pintatilojen tiheys Al x Ga 1-x As:n ja eristeen rajapinnassa sekä Schottky-esteen suurempi korkeus (φ 0g ≈ 1 ). V). Pintatilojen pienemmän tiheyden vuoksi negatiivinen pintavaraus ja tyhjennettyjen alueiden paksuus SOURCE-GATE- ja GATE-DRAIN-raoissa pienenevät. Tämä mahdollistaa köyhtyneiden alueiden alhaisemman loisresistenssin saavuttamisen ilman sattumaa. Suuremmasta Schottky-esteen korkeudesta johtuen HEMT-transistoreille on mahdollista suurempi (jopa 0,8 V) myötäjännite U gs , mikä on erityisen tärkeää normaalisti suljetuille transistoreille, joiden porttien käyttöjännitteet voivat muuttua vain kapea alue, jota ylhäältä rajoittaa ohjaussiirtymän Me - p / p jännite. HEMT-transistorien impulssi- ja taajuusominaisuudet määräytyvät pääasiassa elektronien lennon ajan kanavan läpi, jossa ne liikkuvat kyllästymisnopeudella: . T = 300 K ≈ 2∙10 7 cm/s. Lämpötilan laskiessa kyllästysnopeus kasvaa lain mukaan ~ 1/T. Yksi tärkeimmistä loogisten mikropiirien perhettä kuvaavista parametreista on nopeuden ja tehon tulo ( ), joka on yhden venttiilin hajoaman tehon ja tämän venttiilin viiveajan tulo. Toinen vertailuominaisuus on yhden venttiilin hajonneen tehon ja tämän venttiilin viiveajan neliö ( ), joka on energian ja ajan tulo. Taulukko 2 esittää CMOS-, MeP-, HEMT -IC:iden vertailuominaisuudet huoneenlämpötilassa. ${\displaystyle \tau _{k}=L_{g}/V_{la))$ ${\displaystyle V_{la))$ ${\displaystyle V_{la))$ ${\displaystyle P\times \tau _{k))$ ${\displaystyle P\times \tau _{k}^{2))$

Taulukko 2. CMOS-, MeP-, HEMT -IC:iden vertailuominaisuudet huoneenlämpötilassa.

transistorin tyyppi	l k , µm (L g , µm)	Р, mW/vent	$\tau_{k}$ , ns	${\displaystyle P\times \tau _{k))$ , J∙10 −15 (fJ)	${\displaystyle P\times \tau _{k}^{2))$ , J∙s∙10 −26
MeP	0.3	0,75	16	12	19.2
HEMT	1.0	1.1	12.2	13.4	16.4
CMOS	1.0	1.8	viisikymmentä	90	450

HDPE:n tärkeimmät haitat ovat portin hitaus ja portin rikkoutuminen .

Sovellus

TVET:n sekä metalli-puolijohdekenttätransistorien ( eng. MESFET ) laajuus - viestintä mikroaalto- ja millimetriaaltoalueella, tutka ja radioastronomia matkapuhelimista [4] ja laajakaistasatelliittivastaanottimista elektronisiin ilmaisinjärjestelmät - mikä tahansa laite, joka vaatii suurta signaalin vahvistusta ja alhaista kohinaa korkeilla taajuuksilla. HDPE:t pystyvät vahvistamaan virtaa yli 600 GHz:n taajuuksilla ja tehonvahvistusta yli 1 THz:n taajuuksilla. Huhtikuussa 2005 esiteltiin heteroliitosbipolaarisia transistoreita ( eng. HBT ), joiden virtavahvistus yli 600 GHz:n taajuuksilla. Tammikuussa 2010 joukko tutkijoita Japanista ja Euroopasta esitteli terahertsin HDPE:n, jonka toimintataajuus (täydellä puolihuipun leveydellä FWHM) oli 2,5 THz [5]

Useat yritykset ympäri maailmaa kehittävät ja valmistavat HDPE-laitteita. Nämä voivat olla erillisiä transistoreita, mutta useammin laitteet valmistetaan monoliittisen integroidun piirin muodossa (mikroaalto-MIS, eng. MMIC ).

Muistiinpanot

↑ Teksti PersT 6_8 (linkki ei käytettävissä)
↑ Mimura, T. Korkean elektronin liikkuvuuden transistorin (HEMT) varhainen historia . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50 3 780-782 (2002). doi: 10.1109/22.989961
↑ Teksti PersT 6_18 (linkki ei käytettävissä)
↑ ERITYISEHDOT : transistori _ _ A. F. Ioffe (linkki, jota ei voi käyttää) Arkistoitu 18. tammikuuta 2014.
↑ Terahertsitransistorin päästötaajuuden porttiohjaus // Semiconductor Today (28. tammikuuta 2010 )

Katso myös

Kirjallisuus

Sheng S. Li. Puolijohteiden fyysinen elektroniikka. - Toinen painos. - Springer, 2006. - 708 s. — ISBN 978-0387-28893-2 .

Linkit

Kenttätransistorit, joissa on ohjattu metalli-puolijohdeliitos ja heteroliitos .

Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4211873-6