Transistor med høj elektronmobilitet

High Electron Mobility Transistor ( HEMT ) er en felteffekttransistor , der bruger kontakten mellem to halvledermaterialer med forskellige båndgab til at skabe en kanal (i stedet for et doteret område som i konventionelle MOSFET'er ) [1] . I indenlandsk og udenlandsk litteratur omtales sådanne enheder ofte som HEMT - fra engelsk. Transistor med høj elektronmobilitet . Afhængigt af strukturen bruges også lignende navne: HFET , HEMFET , MODFET , TEGFET , SDHT . Andre navne for disse transistorer: felteffekttransistorer med en kontrolforbindelse metal- halvleder og heterojunction, HMeP-transistorer, felteffekttransistorer med moduleret doping, selektivt dopede heterostrukturtransistorer (SLHT) .

Oprettelseshistorie

Takashi Mimura ( japansk: 三村高志; Fujitsu , Japan) anses generelt for at være opfinderen af HDPE [2] . Ray Dingle og hans samarbejdspartnere hos Bell Laboratories ydede imidlertid også betydelige bidrag til opfindelsen af HDPE.

Struktur

Figuren viser strukturen af en HEMT-transistor i et snit. Et udopet GaAs bufferlag dyrkes på et semi-isolerende galliumarsenid (GaAs) substrat. Et tyndt lag af en halvleder med et andet båndgab - InGaAs , dyrkes på den, således at der dannes et område af todimensionel elektrongas (2DEG). Ovenfra er laget beskyttet af en tynd spacer baseret på aluminium galliumarsenid Al x Ga 1 – x As (herefter AlGaAs ). Ovenfor er et silicium -doteret n-AlGaAs-lag og et stærkt doteret n + -GaAs- lag under dræn- og source-puderne. Portkontakten er tæt på 2D elektrongasområdet.

Fælles materialer til HDPE er en kombination af GaAs og AlGaAs, selvom betydelige variationer er mulige afhængigt af formålet med enheden. For eksempel viser enheder med et højt indiumindhold generelt bedre ydeevne ved høje frekvenser, mens de er i sidstnævnte[ hvornår? ] år har der været en massiv stigning i forskning og udvikling af galliumnitrid (GaN) HDPE på grund af deres bedre ydeevne ved høje ydelser. Der er en hel del isostrukturelle analoger af GaAs-halvledermaterialer med en krystalgitterperiode tæt på GaAs . Dette gør det muligt at bruge GaAs som grundlag for at skabe en bred klasse af heterostrukturelle transistorer med fremragende egenskaber. Parametrene for nogle af disse materialer er vist i tabel 1.

Tabel 1. Parametre for nogle halvledermaterialer, der bruges til at fremstille GaAs-baserede heterostrukturer.

Halvleder	Gitterparameter , nm $a_{0}$	Båndgab , eV _ $\Delta E_{\text{g))$	Elektronmobilitet , cm 2 / V s $\mu _{n}$	Mobilitet af huller , cm 2 / V s $\mu _{p}$
GaAs	0,5654	1,42	8500	420
AlAs	0,5661	2,95	n/a	n/a
Ge	0,5658	0,67	3800	1820
InP	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

Ud over dem, der er anført i tabellen, er forskellige faste løsninger (Al x Ga 1 – x As, Ga x In 1 – x As, Ga x In 1 – x P, Al x In 1 – x As og andre) i vid udstrækning bruges til at skabe heterostrukturer.

Oprettelse af en heterojunction i HDPE

Normalt vælges materialer med den samme krystalgitterparameter (afstande mellem atomer) for at skabe en heterojunction. I analogi kan du forestille dig, at du sammenkobler to kamme med en lidt forskellig stigning mellem tænderne. Efter nogle bestemte intervaller vil to tænder overlappe hinanden. I halvledere spiller sådanne uoverensstemmelser rollen som bærer-"fælder" og forringer enhedens ydeevne betydeligt. I virkeligheden er det næsten umuligt at opsamle et par forskellige p/p, som ville have perfekt matchning af både krystalstrukturer og termiske udvidelseskoefficienter . Derfor forekommer mekaniske spændinger sædvanligvis ved heterojunction-grænsefladen , som forårsager udseendet af mistilpassede dislokationer, som skaber grænsetilstande ved grænsefladen. Selv et så godt matchet par som Ge og GaAs udviser plastisk deformation . Derfor bruges solide løsninger til at skabe strukturen . For eksempel fører udskiftning af Ge med en Ge 0,98 Si 0,02 fast opløsning til et fald i spændinger ved grænsefladen til et niveau, der udelukker muligheden for plastisk deformation af GaAs og forbedrer karakteristikaene af heterojunction: dens omvendte strøm falder kraftigt.

I HEMT transistorer bruges GaAs-AlGaAs heterojunction oftest. Med en stigning i det relative indhold af Al i den faste AlGaAs-opløsning øges båndgabet gradvist. For en komposition med x = 0,3 ∆Ez = 1,8 eV er forskellen i båndgabet ~0,38 eV. På grund af den gode matchning af krystalgitre af GaAs og AlGaAs, er en lav tæthed af overfladetilstande og defekter tilvejebragt i heterojunction. Af disse grunde opnås meget høj mobilitet for elektroner akkumuleret i gateakkumuleringsområdet i svage elektriske felter , tæt på bulkmobiliteten for udopede GaAs [(8..9)⋅10 3 cm 2 /V•s ved T = 300 K]. Desuden øges denne mobilitet kraftigt med faldende temperatur, da gitterspredning dominerer i udopede GaAs.

Elektronmobiliteten i kanalen øges også på grund af et ekstra mellemlag (spacer) mellem GaAs-kanalen og AlGaAs-barrieren. Spacer er et tyndt (adskillige nm) adskillende lag af udopet Al x Ga 1-x As. Det fremmer bedre rumlig adskillelse af den todimensionelle elektrongas og spredningscentre mellem udopede GaAs og doterede Al x Ga 1-x As donorer. Koncentrationen af spredningscentre i det udopede lag er lavere end i det doterede lag, så mobiliteten af elektroner akkumuleret i portens mætningsregion øges yderligere. I dette tilfælde trænger elektronernes bølgefunktion i kanalen ikke ind i barrieren, men henfalder i afstandsstykket. I dette tilfælde mindskes bærerspredning ved barrieren. Indførelsen af en afstandsholder forbedrer også den ohmske kontakt, hvilket fører til en stigning i driftsfrekvensgrænsen næsten til den teoretiske grænse. [3]

Ligevægtsenergidiagram af en heterojunction mellem udopet GaAs og doteret med donorurenheder, for eksempel Si, Al x Ga 1-x As

I udopet GaAs er Fermi-niveauet placeret næsten i midten af båndgabet, og i doteret Al x Ga 1-x As, nær bunden af ledningsbåndet (E c ). I GaAs dannes område 3 med den minimale elektronenergi ved grænsefladen 5 2-x p/p. Frie elektroner af ioniserede urenhedsatomer "ruller" ind i denne region fra en p/n med et bredere båndgab. Som et resultat vil der være en rumlig adskillelse af elektroner og ioniserede urenhedsatomer, der kompenserer for dem. Elektronerne akkumuleret i område 3 er i en potentialbrønd og kan i svage elektriske felter kun bevæge sig langs grænsen 5 i et plan vinkelret på figurens plan. Derfor kaldes elektronsættet i område 3 for en todimensionel elektrongas , hvorved det understreges, at i svage felter kan disse e - ikke bevæge sig i den tredje dimension, det vil sige, at de for eksempel ikke kan bevæge sig fra område 3 til område 4 , da dette forhindres af en potentiel barriere ∆ E c ≈ (0,6 ÷ 0,65) (∆E s2 - ∆E s1 ).

Temperaturafhængighed af elektrongasmobilitet. 1 - heterostruktur; 2 - GaAs. Figur 2 (kurve 1) viser temperaturafhængigheden af elektrongasmobiliteten opnået i dette tilfælde. Ved temperaturer af flydende nitrogen (77 K) og flydende helium (4 K) stiger μn til henholdsvis 1,4⋅10 5 og 2⋅10 6 cm²/V•s. Samme figur (kurve 2) viser temperaturafhængigheden af μn i GaAs med en koncentration Nd = 1017 cm – 3 .

Pseudomorf heterojunction

HDPE, hvor reglen om korrespondance for krystalgitterparameteren for heterojunction-lagene ikke overholdes, kaldes pseudomorf (pTVPE eller pHEMT). For at gøre dette er et lag af et af materialerne lavet meget tyndt - så meget, at dets krystalgitter simpelthen strækkes for at matche det andet materiale. Denne metode gør det muligt at fremstille strukturer med en øget forskel i båndgabet, hvilket er uopnåeligt på andre måder. Sådanne enheder har forbedret ydeevne.

Metamorf heterojunction

En anden måde at kombinere materialer med forskellige riste er at placere et bufferlag imellem dem. Dette anvendes i metamorf HDPE (mHPE eller mHEMT). Bufferlaget er AlInAs, med indiumkoncentrationen valgt således, at bufferlagets gitter kan matches både med GaAs-substratet og med InGaAs-kanalen. Fordelen ved denne struktur er evnen til at vælge næsten enhver koncentration af indium for at skabe en kanal, det vil sige, at enheden kan optimeres til forskellige applikationer (lav indiumkoncentration giver lav støj , og høj indiumkoncentration giver en større grad af forstærkning) .

Sådan virker det

Generelt bruges dopingmidler til at skabe ledningsevne i halvledere. Imidlertid oplever de resulterende ledningselektroner kollisioner med urenhedskerner, hvilket negativt påvirker mobiliteten af bærere og enhedens hastighed. I HDPE undgås dette på grund af det faktum, at elektroner med høj mobilitet genereres ved heterojunction i kontaktområdet af et højt doteret N-type donorlag med et bredt båndgab (i vores eksempel, AlGaAs) og et udopet kanallag med en snæver båndgab uden dopingmidler (i dette tilfælde GaAs).

Elektronerne produceret i det tynde lag af N-typen overføres fuldstændigt til GaAs-laget, hvilket udtømmer AlGaAs-laget. Udtømning opstår på grund af bøjningen af den potentielle relief i heterojunction - en kvantebrønd dannes mellem halvledere med forskellige båndgab . Elektroner er således i stand til at bevæge sig hurtigt uden kollisioner med urenheder i det udopede GaAs-lag. Der dannes et meget tyndt lag med en høj koncentration af meget mobile elektroner, som har egenskaberne som en todimensionel elektrongas (2DEG). Kanalmodstanden er meget lav, og mobiliteten af bærere i den er høj.

Ligesom i andre typer felteffekttransistorer ændrer den spænding, der påføres HDPE'ens gate, ledningsevnen af kanallaget.

Funktionsprincippet for TVPE - transistoren svarer til MeP-transistorens funktionsprincip. Mellem metalporten og laget af AlGaAs, der er placeret under den, dannes en kontrolovergang Metal - Semiconductor (herefter benævnt Me - p / p). Udtømningsområdet for denne overgang er hovedsageligt placeret i AlGaAs-lagene. Kanalen af en normalt åben transistor ved er dannet i et udopet GaAs-lag ved heterojunction-grænsen i området for akkumulering af en todimensionel elektrongas. Under påvirkning af en kontrolspænding ændres tykkelsen af det udtømte område af Me-p/n-overgangen, elektronkoncentrationen i 2DEG og drænstrømmen. Elektroner kommer ind i akkumuleringsområdet fra kilden. Ved en tilstrækkelig stor (i absolut værdi) negativ udvider udtømningsområdet sig så meget, at det overlapper området med elektronmætning. Afløbsstrømmen stopper. $U_{\text{gs}}<0$ $U_{\text{gs))$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

I en normalt lukket transistor er der på grund af den tyndere tykkelse af det øvre AlGaAs-lag ved , ingen ledende kanal, da mætningsområdet af den todimensionelle elektrongas er blokeret af udtømningsområdet for kontrolovergangen. Kanalen vises med en eller anden positiv værdi , når udtømningsområdet for kontrolovergangen indsnævres så meget, at dens nedre grænse falder ind i området for elektronakkumulering. $U_{\text{gs}}=0$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

Karakteristika

Portegenskaberne for normalt åbne (1) og normalt lukkede (2) transistorer er vist i figur 4. På grund af elektronernes høje mobilitet og lav praktisk talt over hele området af Ugs , mætning af elektrondriftshastigheden i kanalen ( V sat ) opnås og en lineær afhængighed af I c på U gs . $L_{\text{g))$

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

hvor er den kritiske feltstyrke; ${\displaystyle E_{kp))$

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

hvor er kildemodstanden ,. $R_{s}$ $S=\epsilon _{0}\epsilon _{f}^{2}V_{sat}\cdot b/dk$

For kurve (1) S*/b = 117 mS/mm, for kurve (2) — 173 mS/mm. Den større værdi af stejlheden af n.z. transistoren skyldes den mindre tykkelse af Al x Ga 1-x As dopet med donorer .

En vigtig fordel ved HEMT-transistorer sammenlignet med strukturen af MeP-transistorer er den lavere tæthed af overfladetilstande ved grænsefladen mellem Al x Ga 1-x As og dielektrikumet og den større højde af Schottky-barrieren (φ 0g ≈ 1 V). På grund af den lavere tæthed af overfladetilstande falder den negative overfladeladning og tykkelsen af de udtømte områder i SOURCE-GATE og GATE-DRAIN hullerne. Dette gør det muligt at opnå lavere parasitmodstande i de udtømte regioner uden selvsammenfald. På grund af Schottky-barrierens større højde er for HEMT-transistorer en større (op til 0,8 V) fremadspænding Ugs mulig , hvilket især er vigtigt for normalt lukkede transistorer, hvis driftsspændinger ved gates kun kan ændres i en smalt område, begrænset fra oven af spændingen af kontrolovergangen Me - p / p. Impuls- og frekvensegenskaberne for HEMT-transistorer bestemmes hovedsageligt af tidspunktet for flyvning af elektroner gennem kanalen, hvor de bevæger sig med mætningshastighed: . Ved T = 300 K ≈ 2∙10 7 cm/s. Når temperaturen falder, stiger mætningshastigheden ifølge loven ~ 1/T. En af de vigtigste parametre, der karakteriserer familien af logiske IC'er , er produktet af hastighed og effekt ( ), som er produktet af den effekt, der afgives af en ventil og forsinkelsestiden i denne ventil. En anden sammenlignende karakteristik er produktet af den effekt, der afgives af en ventil og kvadratet af forsinkelsestiden i denne ventil ( ), som er produktet af energi og tid. Tabel 2 viser de sammenlignende karakteristika for CMOS, MeP, HEMT IC'er ved stuetemperatur. ${\displaystyle \tau _{k}=L_{g}/V_{sat))$ ${\displaystyle V_{sat))$ ${\displaystyle V_{sat))$ ${\displaystyle P\times \tau _{k))$ $P\times \tau _{k}^{2}$

Tabel 2. Sammenlignende karakteristika for CMOS, MeP, HEMT IC'er ved stuetemperatur.

transistor type	l k , µm (L g , µm)	Р, mW/udluftning	$\tau_{k}$ , ns	${\displaystyle P\times \tau _{k))$ , J∙10 −15 (fJ)	$P\times \tau _{k}^{2}$ , 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	halvtreds	90	450

De største ulemper ved HDPE er gate-inerti og gate- nedbrud .

Ansøgning

Omfanget af TVET, såvel som metal-halvleder-felteffekttransistorer ( eng. MESFET ) - kommunikation i mikrobølge- og millimeterbølgeområdet, radar- og radioastronomi , fra mobiltelefoner [4] og bredbåndssatellitmodtagere til elektroniske detektionssystemer - det er enhver enhed, der kræver en høj grad af signalforstærkning og lav støj ved høje frekvenser. HDPE'er er i stand til at forstærke strøm ved frekvenser over 600 GHz og effektforstærkning ved frekvenser over 1 THz. I april 2005 blev heterojunction bipolære transistorer ( eng. HBT ) med strømforstærkning ved frekvenser over 600 GHz demonstreret. I januar 2010 præsenterede en gruppe videnskabsmænd fra Japan og Europa en terahertz HDPE med en driftsfrekvens (ved fuld halv-spidsbredde FWHM) på 2,5 THz [5]

Adskillige virksomheder rundt om i verden udvikler og fremstiller HDPE-enheder. Disse kan være separate transistorer, men oftere produceres enheder i form af et monolitisk integreret kredsløb (mikrobølge MIS, eng. MMIC ).

Noter

↑ Tekst PersT 6_8 (utilgængeligt link)
↑ Mimura, T. Den tidlige historie om højelektronmobilitetstransistor (HEMT) . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50 3 780-782 (2002). doi: 10.1109/22.989961
↑ Tekst PersT 6_18 (utilgængeligt link)
↑ SÆRLIGE VILKÅR : transistor _ A. F. Ioffe (utilgængeligt link) Arkiveret 18. januar 2014.
↑ Gate kontrol af terahertz transistor emissionsfrekvens // Semiconductor Today (28. januar 2010 )

Se også

Litteratur

Sheng S. Li. Halvleder fysisk elektronik. - Anden version. - Springer, 2006. - 708 s. — ISBN 978-0387-28893-2 .

Links

Felteffekttransistorer med en kontrolleret metal-halvlederforbindelse og en heterojunction .

I bibliografiske kataloger	GND : 4211873-6