A nagy elektronmobilitású tranzisztorok (HEMT-ek és HEM FET-ek) heterocsomópontot és kétdimenziós elektrongáz-csatornát használnak, hogy nagyon nagy sebességet, erősítést és alacsony zajt érjenek el RF, milliméter-hullámú és teljesítmény áramkörökben. Ez a cikk részletesen magyarázza a rétegszerkezetüket, anyagait, módjait, növekedési módszereit, megbízhatóságukat, modellezésüket és PCB elrendezésüket.
HEMT-ek és HEM-FET-ek alapok
A nagy elektronmobilitású tranzisztorok (HEMT-ek vagy HEM FET-ek) mezőhatású tranzisztorok, amelyek két különböző félvezető anyag közötti határt használnak, ahelyett, hogy egyetlen, egyenletesen dobolált csatornát használnak, mint a MOSFET-ben. Ezt a határt, úgynevezett heterojunkciót, lehetővé teszi az elektronok nagyon gyors mozgását egy vékony rétegben, alacsony ellenállással. Ennek köszönhetően a HEMT-ek nagyon nagy sebességgel kapcsolhatnak, erős jelerősítést biztosítanak, és alacsonyan tartják a zajt a nagyfrekvejű áramkörökben. Gyakori anyagrendszereket, mint a GaN, GaAs és InP, a sebesség, a feszültségerősség és a költség egyensúlyára választják, így a HEMT-eket széles körben használják a modern nagyfrekvenciás és nagy teljesítményű elektronikában.
2DEG csatorna HEMT-ekben és HEM FET-ekben
A HEMT-eknél a nagy mozgékonyság egy nagyon vékony elektronrétegből fakad, amelyet kétdimenziós elektrongáznak (2 °C) neveznek. Ez a réteg a széles sávszélességű réteg és a keskenyebb sávszélességű csatorna határán alakul ki. A csatorna dopolásmentes, így az elektronok kevesebb ütközéssel mozognak, így gyors, alacsony ellenállású áramútvonalat biztosít.
Lépések a 2DEG formációban:
• A széles sávszélességű rétegben lévő donor atomok elektronokat bocsátanak fel.
• Az elektronok az alacsonyabb energiájú, keskeny sávszélességű csatornába lépnek.
• Egy vékony kvantumkút alakul ki és csapdába ejti az elektronokat egy lapban.
• Ez a 2 fokos lap, gyors csatornaként működik, amelyet a kapu irányít.
Rétegszerkezet a HEMT-ekben és HEM FET-ekben
n⁺ kupakréteg (alacsony sávszélesség)
Alacsony ellenállású utat biztosít a forrás- és lefolyóérintkezők számára. A kupakot a kapu alatt eltávolítják, hogy a csatorna kontrollálja magát.
3,2 n⁺ széles sávszélességű donor/barrierréteg
Elektronokat lát el, amelyek kitöltik a 2 fokfokot, és segít kezelni a magas elektromos mezőket.
Doppázatlan távolságtartó réteg
Elválasztja a donorokat a 2 fokú foktól, így az elektronok kevesebb ütközést tapasztalnak és könnyebben mozoghatnak.
Doppáznilan keskeny sávszélességű csatorna/puffer
Tartja a 2 fokú áramot, és magas frekvenciákon és magas mezőkön gyorsan áramol.
Aljzat (Si, SiC, zafír, GaAs vagy InP)
Támogatja az egész szerkezetet, és hőkezelés, költség és anyag egyezése miatt választják; A GaN-on-Si és GaN-on-SiC gyakoriak a teljesítmény- és RF HEMT-ekben.
Anyagi lehetőségek HEMT-ekhez és HEMT-ekhez
| Anyagrendszer | Főbb erősségek | Tipikus frekvenciatartomány |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Alacsony zaj, stabil és jól fejlett | Mikrohullámú sütő alacsony mmWave-re |
| InAlas / InGaAs az InP-n | Nagyon nagy sebesség, nagyon alacsony zaj | mmWave és magasabb |
| AlGaN / GaN a SiC-en vagy Si | Nagy feszültség erősség, nagy teljesítmény, forró készhelyzet | RF, mikrohullámú hang, áramkapcsoló |
| Si / SiGe | CMOS-szal működik, jobb mobilitás, mint a szilícium. | RF és nagysebességű digitális |
pHEMT és mHEMT struktúrák a HEMT-ekben és HEMT-ekben
| Típus | Rácsmegközelítés | Fő előnyök | Tipikus korlátok/kompromisszumok |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Nagyon vékony, feszült csatornát használ, amit kritikus vastagság alatt tart, hogy illeszkedjen az aljzathoz | Magas elektronmobilitás, alacsony hibák, stabil teljesítmény | A csatornavastagság korlátozott; a tárolt törzset kezelni kell |
| mHEMT | Egy fokozatos "metamorf" puffert használ, amely lassan megváltoztatja a rács állandót | Lehetővé teszi a magas indiumtartalmat és a nagyon nagy sebességet (magas fT) | Összetettebb puffer, nagyobb kristályhibák kockázata |
Fokozó és csökkentő módok a HEMT-ekben és HEM FET-ekben
Lemerülési módú HEMT-ek (dHEMT, normál esetben bekapcsolva)
• Gyakran megtalálható AlGaN/GaN szerkezetekben, ahol egy 2DEG magától alakul ki.
• Az eszköz VGS = 0V sebességgel vezet; Negatív kapufeszültség szükséges a csatorna lezárásához.
• Elérheti a nagyon magas teljesítményszintet és magas betörési feszültséget, de extra gondosságot igényel, hogy a rendszer biztonságos legyen.
Enhancement-mode HEMT-ek (eHEMT, normál esetben kikapcsolva)
• Úgy építették, hogy a csatorna VGS = 0V-on van kikapcsolva.
• Módszerek közé tartozik a kapu recess, p-GaN kapu vagy fluorkezelés, hogy a küszöb pozitív értékre tolják.
• Inkább MOSFET-szerűen működik, ami megkönnyíti az energia- és autóáramkörök védelmét és irányítását.
A HEMT-ek és HEM FET-ek RF és milliméter-hullámú szerepei
Az RF és milliméter hullámú áramkörökben széles körben használják a HEMT-eket és HEM FET-eket, mert nagyon gyorsan tudnak váltani, és csak kevés zajt adnak hozzá a jelhez. Szerkezetük nagy erősítést ad, és lehetővé teszi, hogy olyan frekvenciákon működjenek, ahol sok szilícium eszköz elkezd nehézségekkel küzdeni.
Ezekben a rendszerekben a HEMT-ek gyakran alacsony zajú erősítőkként szolgálnak, amelyek gyenge jeleket minimális plusz zaj mellett erősítenek, valamint teljesítményerősítőkként is erősebb jeleket vezetnek magas frekvencián. A fejlett HEMT technológiák képesek a hasznos erősítést a milliméter-hullámtartományban is tartani, így széles körben használják őket a nagyon nagy frekvenciájú kommunikációs és érzékelő áramkörökben.
GaN HEMT-ek és HEM FET-ek az energiaátalakításban
A GaN HEMT-eket és HEM FET-eket ma már főkapcsolóként használják nagy hatékonyságú, nagyfrekvenciájú teljesítményátalakítókban a 100–650 V tartományban. Sokkal alacsonyabb a kapcsolási veszteségük, mint a szilícium MOSFET-eknek, így több száz kilohertzen vagy akár megahertz tartományban is működhetnek, miközben hatékonyak maradnak.
Ezek az eszközök alacsony bekapcsolási ellenállást és alacsony töltést is kínálnak, ami segít csökkenteni mind a vezetést, mind a kapcsolási veszteségeket. Erős elektromos terük és jó hőmérséklet-kezelésük kisebb mágneses anyagokat és kompaktabb teljesítményfokozatokat támogat. Ezeknek az előnyöknek a biztonságos eléréséhez a gatedrive-ot, a PCB-elrendezést és az EMI vezérlést gondosan meg kell tervezni, hogy a gyors feszültségélek és a csengés ellenőrzés alatt maradjon.
Epitaxiális növekedés a HEMT-ek és HEM FET-ek esetében
9,1 MBE (Molekuláris sugárepitaxia)
• Ultra-magas vákuumot és nagyon precíz növekedési szabályozást alkalmaz.
• Gyakori kutatásokban és alacsony volumenű, nagyon nagy teljesítményű HEMT-ekben.
MOCVD (Fém-Szerves CVD)
• Támogatja a nagy áteresztőképességet.
• Kereskedelmi GaN és GaAs HEMT-ekhez használják, a teljesítmény és a gyártási költségek egyensúlyában.
Megbízhatóság és dinamikus viselkedés a HEMT-ekben és HEM FET-ekben
A GaN-alapú HEMT-ek és HEM FET-ek megbízhatósági problémákba ütközhetnek, amikor magas feszültségen és nagy teljesítményen kapcsolnak. A pufferben, a felületben vagy a felületeken lévő csapdák kapcsolás közben felfoghatják a töltést, ami növeli a dinamikus bekapcsolási ellenállást és megszakítja az áramot, ami áramromláshoz vezet az egyenáramú működéshez képest.
Az erős elektromos mezők és a magas hőmérséklet a kapu közelében plusz stresszt okozhat. Idővel az ismétlődő kapcsolás, a hő, a páratartalom vagy a sugárzás lassan megváltoztathatja az értékeket, mint a küszöbfeszültség és a szivárgás, így a jó hőtervezés és védelem hosszú távú stabilitást támogat.
Összegzés
A HEMT és a HEM FET viselkedése a 2DEG csatorna, a kiválasztott anyagrendszer, valamint a pHEMT vagy mHEMT szerkezet alapján alakul, amelyet fokozó vagy kimerülési mód tervezésével alakítanak ki. Az MBE vagy MOCVD növekedéssel együtt a csapdák, a dinamikus ellenállás és a hőkorlátok határozzák meg a valós teljesítményt. Pontos RF és tápegység modellek, valamint gondos PCB- és csomagolási megoldások stabil működtetést biztosítanak.
Gyakran Ismételt Kérdések [GYIK]
Milyen gate-meghajtó feszültségre van szükség a GaN HEMT-eknek?
A legtöbb kiegészítő módú GaN HEMT körülbelül 0–6 V kapuhajtást használ.
Szükség van a HEMT-ekhez speciális kapumeghajtók?
Igen. Gyors, alacsony induktanciájú kapuvezérlőkre van szükségük, gyakran dedikált GaN meghajtó IC-kre.
Mely csomagok gyakoriak a HEMT-eknél és HEM-eknél?
Az RF HEMT-ek RF kerámia vagy felületre szerelt csomagokat használnak. A Power GaN HEMT-ek QFN/DFN, LGA, alacsony induktanciájú tápegységeket vagy néhány TO-stílusú csomagot használnak.
Hogyan befolyásolja a hőmérséklet a HEMT teljesítményét?
A magasabb hőmérséklet növeli az bekapcsolási ellenállást, csökkenti az áramot, csökkenti az RF nyereséget és növeli a szivárgást.
Hogyan tesztelik a HEMT-eket teljesítményváltókban?
Dupla impulzusteszttel ellenőrzik őket, hogy mérjék a kapcsolási energiát, a túlhajtást, a csengést és az RDS(on) hatását.
Milyen biztonsági intézkedések fontosak a nagyfeszültségű GaN HEMT-ek esetében?
Használjon megerősített szigetelést, megfelelő biztosítékokat vagy megszakítókat, túlfeszültségvédelmet, helyes kúszó és távolságot, irányított DV/DT-t, valamint védett kapuhajtást.
