Tranzistor de mare mobilitate a electronilor

Tranzistorul de mare mobilitate a electronilor (HEMT ) este un tranzistor cu efect de câmp care utilizează contactul a două materiale semiconductoare cu benzi interzise diferite pentru a crea un canal (în loc de o regiune dopată ca în MOSFET -urile convenționale ) [1] . În literatura internă și străină, astfel de dispozitive sunt adesea denumite HEMT - din engleză. Tranzistor cu mobilitate ridicată a electronilor . De asemenea, în funcție de structură, se folosesc denumiri similare: HFET , HEMFET , MODFET , TEGFET , SDHT . Alte denumiri pentru aceste tranzistoare: tranzistori cu efect de câmp cu o joncțiune de control metal -semiconductor și heterojuncție, tranzistori HMeP, tranzistori cu efect de câmp cu dopaj modulat, tranzistori cu heterostructură dopată selectiv (SLHT) .

Istoricul creației

Takashi Mimura ( japonez: 三村高志; Fujitsu , Japonia) este în general considerat a fi inventatorul HDPE [2] . Cu toate acestea, Ray Dingle și colaboratorii săi de la Bell Laboratories au avut, de asemenea, contribuții semnificative la invenția HDPE.

Structura

Figura prezintă structura unui tranzistor HEMT într-o secțiune. Un strat tampon de GaAs nedopat este crescut pe un substrat semiizolant de arseniură de galiu (GaAs) . Pe acesta este crescut un strat subțire de semiconductor cu o bandă interzisă diferită - InGaAs , astfel încât se formează o regiune de gaz electronic bidimensional (2DEG). De sus, stratul este protejat de un distanțier subțire pe bază de arseniură de aluminiu galiu Al x Ga 1 – x As (denumit în continuare AlGaAs ). Deasupra se află un strat n-AlGaAs dopat cu siliciu și un strat n + -GaAs puternic dopat sub plăcuțele de scurgere și sursă. Contactul de poartă este aproape de regiunea gazului de electroni 2D.

Materialele comune pentru HDPE sunt o combinație de GaAs și AlGaAs, deși sunt posibile variații semnificative în funcție de scopul dispozitivului. De exemplu, dispozitivele cu un conținut ridicat de indiu prezintă în general performanțe mai bune la frecvențe înalte, în timp ce în cele din urmă[ când? ] ani, a avut loc o creștere masivă a cercetării și dezvoltării nitrurii de galiu (GaN) HDPE, datorită performanței lor mai bune la puteri mari. Există destul de puțini analogi izostructurali ai materialelor semiconductoare GaAs cu o perioadă rețelei cristaline apropiată de GaAs . Acest lucru face posibilă utilizarea GaAs ca bază pentru crearea unei clase largi de tranzistori heterostructurali cu caracteristici remarcabile. Parametrii unora dintre aceste materiale sunt prezentați în Tabelul 1.

Tabelul 1. Parametrii unor materiale semiconductoare utilizate la fabricarea heterostructurilor pe bază de GaAs.

Semiconductor	Parametrul rețelei , nm $a_{0}$	Interval de bandă , eV $\Delta E_{\text{g}}$	Mobilitatea electronilor , cm 2 / V s $\mu _{n}$	Mobilitatea orificiilor , cm 2 / V s $\mu _{p}$
GaAs	0,5654	1.42	8500	420
Vai	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	27000	450
AlSb	0,6135	2.5	N / A	N / A
InSb	0,6479	0,17	78000	750

În plus față de cele enumerate în tabel, diferite soluții solide (Al x Ga 1 – x As, Ga x In 1 – x As, Ga x In 1 – x P, Al x In 1 – x As și altele) sunt larg folosit pentru a crea heterostructuri.

Crearea unei heterojoncțiuni în HDPE

De obicei, materialele cu același parametru al rețelei cristaline (distanțele dintre atomi) sunt selectate pentru a crea o heterojuncție. Prin analogie, imaginați-vă că interconectați doi piepteni cu un pas ușor diferit între dinți. După anumite intervale, doi dinți se vor suprapune. În semiconductori, astfel de nepotriviri joacă rolul de „capcane” de purtător și degradează semnificativ performanța dispozitivului. În realitate, este aproape imposibil să ridicați o pereche de p / p diferite, care ar avea o potrivire perfectă atât a structurilor cristaline, cât și a coeficienților de dilatare termică . Prin urmare, tensiunile mecanice apar de obicei la interfața heterojoncției , ceea ce provoacă apariția unor dislocații nepotrivite, care creează stări limită la interfață. Chiar și o pereche atât de bine potrivită precum Ge și GaAs prezintă deformare plastică . Prin urmare, soluțiile solide sunt folosite pentru a crea structura . De exemplu, înlocuirea Ge cu o soluție solidă Ge 0.98 Si 0.02 duce la o scădere a tensiunilor la interfață până la un nivel care exclude posibilitatea deformarii plastice a GaAs și îmbunătățește caracteristicile heterojoncțiunii: curentul său invers scade brusc.

În tranzistoarele HEMT, heterojoncția GaAs-AlGaAs este cel mai des utilizată. Odată cu o creștere a conținutului relativ de Al din soluția solidă de AlGaAs, banda interzisă crește treptat. Pentru o compoziție cu x = 0,3 ∆Ez = 1,8 eV, diferența în banda interzisă este de ~0,38 eV. Datorită bunei potriviri a rețelelor cristaline ale GaAs și AlGaAs, în heterojoncțiune este prevăzută o densitate scăzută a stărilor de suprafață și a defectelor. Din aceste motive, se realizează o mobilitate foarte mare pentru electronii acumulați în regiunea de acumulare a porții în câmpuri electrice slabe, aproape de mobilitatea în vrac pentru GaAs nedopat [(8..9)⋅10 3 cm 2 /V•s la T = 300 K]. Mai mult, această mobilitate crește brusc odată cu scăderea temperaturii, deoarece împrăștierea prin rețea predomină în GaAs nedopați.

Mobilitatea electronilor în canal crește, de asemenea, datorită unui strat intermediar suplimentar (distanțiere) între canalul GaAs și bariera AlGaAs. Distanțiatorul este un strat de separare subțire (mai mulți nm) de Al x Ga 1-x As nedopat. Promovează o mai bună separare spațială a gazului de electroni bidimensional și a centrelor de împrăștiere între GaAs nedopați și donatorii Al x Ga 1-x As dopați. Concentrația centrelor de împrăștiere în stratul nedopat este mai mică decât în stratul dopat, astfel încât mobilitatea electronilor acumulați în regiunea de saturație a porții crește și mai mult. În acest caz, funcția de undă a electronilor din canal nu pătrunde în barieră, ci se descompune în distanțier. În acest caz, împrăștierea purtătorului la barieră scade. Introducerea unui distanțier îmbunătățește și contactul ohmic, ceea ce duce la o creștere a limitei frecvenței de funcționare aproape până la limita teoretică. [3]

Diagrama energiei de echilibru a unei heterojoncții între GaAs nedopați și dopați cu impurități donatoare, de exemplu, Si, Al x Ga 1-x As

În GaAs nedopat , nivelul Fermi este situat aproape în mijlocul benzii interzise, iar în Al x Ga 1-x As dopat, aproape de partea inferioară a benzii de conducere (E c ). În GaAs, regiunea 3 cu energia minimă a electronilor se formează la interfața 5 2-x p/p. Electronii liberi ai atomilor de impurități ionizate „se rostogolesc” în această regiune de la un p/n cu un bandgap mai larg. Ca rezultat, va exista o separare spațială a electronilor și a atomilor de impurități ionizate care le compensează. Electronii acumulați în regiunea 3 se află într-un puț de potențial și în câmpuri electrice slabe se pot deplasa doar de-a lungul limitei 5 într-un plan perpendicular pe planul figurii. Prin urmare, setul de electroni din regiunea 3 se numește un gaz electronic bidimensional , subliniind astfel că în câmpurile slabe acești e - nu se pot deplasa în a treia dimensiune, adică nu se pot deplasa, de exemplu, din regiunea 3 în regiunea 4. , deoarece aceasta este împiedicată de o barieră de potențial ∆ E c ≈ (0,6 ÷ 0,65) (∆E s2 - ∆E s1 ).

Dependența de temperatură a mobilității electronilor gazului. 1 - heterostructură; 2 - GaAs. Figura 2 (curba 1) arată dependența de temperatură a mobilității electronilor gazului obținut în acest caz. La temperaturi ale azotului lichid (77 K) și heliului lichid (4 K), μn crește la 1,4⋅10 5 și, respectiv, 2⋅10 6 cm²/V•s. Aceeași figură (curba 2) arată dependența de temperatură a lui μn în GaAs cu o concentrație Nd = 1017 cm – 3 .

Heterojuncție pseudomorfă

HDPE, în care regula de corespondență a parametrului rețelei cristaline a straturilor de heterojuncție nu este respectată, se numește pseudomorf (pTVPE sau pHEMT). Pentru a face acest lucru, un strat dintr-unul dintre materiale este realizat foarte subțire - atât de mult încât rețeaua sa de cristal este pur și simplu întinsă pentru a se potrivi cu celălalt material. Această metodă face posibilă fabricarea structurilor cu o diferență crescută în banda interzisă, care este de neatins în alte moduri. Astfel de dispozitive au performanțe îmbunătățite.

Heterojuncție metamorfică

O altă modalitate de a combina materiale cu diferite grătare este plasarea unui strat tampon între ele. Acest lucru este aplicat în HDPE metamorfic (mHPE sau mHEMT). Stratul tampon este AlInAs, cu concentrația de indiu aleasă astfel încât rețeaua stratului tampon să poată fi potrivită atât cu substratul GaAs, cât și cu canalul InGaAs. Avantajul acestei structuri este capacitatea de a selecta aproape orice concentrație de indiu pentru a crea un canal, adică dispozitivul poate fi optimizat pentru diverse aplicații (concentrația scăzută de indiu oferă zgomot scăzut , iar concentrația mare de indiu oferă un grad mai mare de câștig) .

Cum funcționează

În general, dopanții sunt utilizați pentru a crea conductivitate în semiconductori. Cu toate acestea, electronii de conducție rezultați se confruntă cu ciocniri cu miezurile de impurități, ceea ce afectează negativ mobilitatea purtătorilor și viteza dispozitivului. În HDPE, acest lucru este evitat datorită faptului că electronii cu mobilitate ridicată sunt generați la heterojoncția din regiunea de contact a unui strat donor de tip N foarte dopat, cu o bandă interzisă largă (în exemplul nostru, AlGaAs) și un strat de canal nedopat cu un bandgap îngustă fără dopanți (în acest caz GaAs).

Electronii produși în stratul subțire de tip N sunt complet transferați în stratul de GaAs, epuizând stratul de AlGaAs. Epuizarea are loc din cauza îndoirii potențialului relief în heterojuncție - se formează o sondă cuantică între semiconductori cu diferite benzi interzise . Astfel, electronii sunt capabili să se miște rapid fără ciocniri cu impuritățile din stratul de GaAs nedopat. Se formează un strat foarte subțire cu o concentrație mare de electroni foarte mobili, care au proprietățile unui gaz de electroni bidimensionali (2DEG). Rezistența canalului este foarte scăzută, iar mobilitatea purtătorilor din acesta este mare.

La fel ca și în alte tipuri de tranzistoare cu efect de câmp, tensiunea aplicată la poarta HDPE modifică conductivitatea stratului de canal.

Principiul de funcționare al tranzistorului TVPE este similar cu principiul de funcționare al tranzistorului MeP. Între poarta metalică și stratul de AlGaAs situat sub aceasta, se formează o tranziție de control Metal - Semiconductor (denumită în continuare Me - p / p). Regiunea de epuizare a acestei tranziții este localizată în principal în straturile AlGaAs. Canalul unui tranzistor normal deschis at este format într-un strat de GaAs nedopat la limita heterojoncției în regiunea de acumulare a unui gaz electronic bidimensional. Sub acțiunea unei tensiuni de control , grosimea regiunii epuizate a tranziției Me-p/n, concentrația de electroni în 2DEG și curentul de scurgere se modifică. Electronii intră în regiunea de acumulare de la sursă. La un negativ suficient de mare (în valoare absolută) , regiunea de epuizare se extinde atât de mult încât se suprapune cu regiunea de saturație a electronilor. Curentul de scurgere se oprește. $U_{\text{gs}}<0$ $U_{\text{gs)}$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

Într -un tranzistor normal închis , din cauza grosimii mai subțiri a stratului superior de AlGaAs la , nu există un canal conducător, deoarece regiunea de saturație a gazului de electroni bidimensional este blocată de regiunea de epuizare a tranziției de control. Canalul apare la o valoare pozitivă , atunci când regiunea de epuizare a tranziției de control se îngustează atât de mult încât limita sa inferioară cade în regiunea acumulării de electroni. $U_{\text{gs}}=0$ $U_{\text{gs}}=U_{f}$

Caracteristici

Caracteristicile porții ale tranzistoarelor normal deschise (1) și normal închise (2) sunt prezentate în Figura 4. Datorită mobilității ridicate a electronilor și scăzută practic pe întregul interval de Ugs , saturația vitezei de deplasare a electronilor în canal ( V sat ) se realizează şi o dependenţă liniară a lui I c de U gs . $L_{\text{g)}$

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

unde este intensitatea câmpului critic; $E_{kp)$

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

unde este rezistența sursei, . $R_{s}$ $S=\epsilon _{0}\epsilon _{f}^{2}V_{sat}\cdot b/dk$

Pentru curba (1) S*/b = 117 mS/mm, pentru curba (2) — 173 mS/mm. Valoarea mai mare a abruptului de n.z. tranzistorul se datorează grosimii mai mici a Al x Ga 1-x As dopat cu donatori .

Un avantaj important al tranzistoarelor HEMT, în comparație cu structura tranzistoarelor MeP, este densitatea mai mică a stărilor de suprafață la interfața dintre Al x Ga 1-x As și dielectric și înălțimea mai mare a barierei Schottky (φ 0g ≈ 1 ). V). Datorită densității mai scăzute a stărilor de suprafață, sarcina negativă a suprafeței și grosimea regiunilor epuizate din golurile SOURCE-GATE și GATE-DRAIN scad. Acest lucru face posibilă obținerea de rezistențe parazitare mai mici ale regiunilor epuizate fără autocoincidență. Datorită înălțimii mai mari a barierei Schottky, pentru tranzistoarele HEMT este posibilă o tensiune directă Ugs mai mare (până la 0,8 V) , ceea ce este deosebit de important pentru tranzistoarele normal închise, ale căror tensiuni de funcționare la porțile cărora se pot modifica doar într-un domeniu îngust, limitat de sus de tensiunea tranziției de control Me - p / p. Proprietățile de impuls și frecvență ale tranzistoarelor HEMT sunt determinate în principal de timpul de zbor al electronilor prin canal, unde se deplasează cu viteza de saturație: . La T = 300 K ≈ 2∙10 7 cm/s. Pe măsură ce temperatura scade, rata de saturație crește conform legii ~ 1/T. Unul dintre cei mai importanți parametri care caracterizează familia circuitelor integrate logice este produsul dintre viteză și putere ( ), care este produsul dintre puterea disipată de o supapă și timpul de întârziere din această supapă. O altă caracteristică comparativă este produsul dintre puterea disipată de o supapă și pătratul timpului de întârziere din această supapă ( ), care este produsul energiei și timpului. Tabelul 2 prezintă caracteristicile comparative ale CI CMOS, MeP, HEMT la temperatura camerei. $\tau _{k}=L_{g}/V_{sat)$ $V_{sat)$ $V_{sat)$ $P\times \tau _{k)$ $P\times \tau _{k}^{2)$

Tabelul 2. Caracteristici comparative ale CI CMOS, MeP, HEMT la temperatura camerei.

tip tranzistor	l k , µm (L g , µm)	Р, mW/vent	$\tau_{k}$ , ns	$P\times \tau _{k)$ , 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	cincizeci	90	450

Principalele dezavantaje ale HDPE sunt inerția și defectarea porții .

Aplicație

Domeniul TVET, precum și tranzistoarele cu efect de câmp cu semiconductor metalic ( ing. MESFET ) - comunicare în intervalul de microunde și unde milimetrice, radar și radioastronomie , de la telefoane mobile [4] și receptoare prin satelit în bandă largă până la electronice sisteme de detectare – adică orice dispozitiv care necesită un grad ridicat de amplificare a semnalului și zgomot redus la frecvențe înalte. HDPE-urile sunt capabile să amplifice curentul la frecvențe de peste 600 GHz și să amplifice puterea la frecvențe de peste 1 THz. În aprilie 2005, au fost demonstrate tranzistoarele bipolare heterojuncție ( ing. HBT ) cu amplificare curentă la frecvențe de peste 600 GHz. În ianuarie 2010, un grup de oameni de știință din Japonia și Europa a prezentat un HDPE de teraherți cu o frecvență de operare (la lățimea maximă de jumătate de vârf FWHM) de 2,5 THz [5]

Mai multe companii din întreaga lume dezvoltă și produc dispozitive HDPE. Acestea pot fi tranzistoare separate, dar mai des dispozitivele sunt produse sub forma unui circuit integrat monolit (microunde MIS, ing. MMIC ).

Note

↑ Text PersT 6_8 (link inaccesibil)
↑ Mimura, T. Istoria timpurie a tranzistorului de mare mobilitate a electronilor (HEMT) . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50 3 780-782 (2002). doi: 10.1109/22.989961
↑ Text PersT 6_18 (link inaccesibil)
↑ TERMENI SPECIAȚI : tranzistor _ A. F. Ioffe (link inaccesibil) Arhivat 18 ianuarie 2014.
↑ Controlul porții a frecvenței de emisie a tranzistorului terahertz // Semiconductor Today (28 ianuarie 2010 )

Vezi și

Literatură

Sheng S. Li. Electronică fizică semiconductoare. - A doua editie. - Springer, 2006. - 708 p. — ISBN 978-0387-28893-2 .

Link -uri

Tranzistoare cu efect de câmp cu o joncțiune metal-semiconductor controlată și o heterojoncțiune .

În cataloagele bibliografice	GND : 4211873-6