Tutorial de transistores de alta movilidad de electrones (HEMT)

El HEMT o transistor de alta movilidad de electrones es un tipo de transistor de efecto de campo (FET), que se utiliza para proporcionar una combinación de figura de ruido baja y niveles muy altos de rendimiento en frecuencias de microondas. Es un dispositivo importante para circuitos digitales de alta velocidad y alta frecuencia y circuitos de microondas con aplicaciones de bajo ruido. Estas aplicaciones incluyen computación, telecomunicaciones e instrumentación. Y el dispositivo también se usa en el diseño de RF, donde se requiere un alto rendimiento a frecuencias de RF muy altas.

Construcción de transistores de alta movilidad de electrones (HEMT)

El componente clave utilizado para construir un HEMT es la unión PN especializada. Se conoce como heterounión y consiste en una unión que utiliza diferentes materiales a cada lado de la unión. En lugar de la unión pn, se utiliza una unión metal-semiconductor (barrera de Schottky con polarización inversa), donde la simplicidad de las barreras de Schottky permite la fabricación con tolerancias geométricas estrechas.

Los materiales más utilizados son el arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) y el arseniuro de galio (GaAs). El arseniuro de galio se usa típicamente porque proporciona un alto nivel de movilidad de electrones básicos que tiene mayores movilidades de portadores y tasas de deriva que el Si.

La fabricación de un HEMT sigue el siguiente procedimiento, primero se deposita una capa intrínseca de arseniuro de galio sobre la capa semiaislante de arseniuro de galio. Tiene solo alrededor de 1 micrón de espesor. Después de eso, una capa muy delgada entre 30 y 60 Angstroms de arseniuro de aluminio y galio intrínseco se deposita encima de esta capa. El objetivo principal de esta capa es asegurar la separación de la interfaz de heterounión de la región dopada con arseniuro de galio y aluminio.

Esto es muy crítico si se quiere lograr una alta movilidad de electrones. La capa dopada con arseniuro de aluminio y galio de aproximadamente 500 Angstroms de espesor se deposita en la parte superior, como se muestra en los diagramas a continuación. Se requiere el espesor exacto de esta capa y se requieren técnicas especiales para controlar el espesor de esta capa.

Hay dos estructuras principales que son la estructura iónica autoalineada implantada y la estructura de rejilla empotrada. En una estructura implantada de iones autoalineados, se colocan la puerta, el drenaje y la fuente y estos suelen ser contactos metálicos, aunque los contactos de la fuente y el drenaje a veces pueden ser de germanio. La puerta suele ser de titanio y forma una pequeña unión con polarización inversa similar a GaAs-FET.

Para la estructura de la compuerta hueca, se deposita otra capa de arseniuro de galio tipo n para permitir la realización de los contactos de drenaje y fuente. Las áreas están grabadas como se muestra en el siguiente diagrama.

El espesor por debajo de la puerta también es muy crítico, ya que el voltaje de umbral del FET está determinado únicamente por el espesor. El tamaño de la puerta, y por tanto del canal, es muy pequeño. Para mantener el rendimiento de alta frecuencia, el tamaño de la rejilla normalmente debe ser de 0,25 micras o menos.

Operación HEMT

El funcionamiento de HEMT es un poco diferente de otros tipos de FET y, por lo tanto, puede ofrecer un rendimiento mucho mejor que los FET de unión estándar o MOS y especialmente en aplicaciones de RF de microondas. Los electrones de la región de tipo n se mueven a través de la red cristalina y muchos permanecen cerca de la heterounión. Estos electrones en una capa que tiene solo una capa de espesor, se forman como un gas de electrones bidimensional que se muestra en la figura (a) anterior.

En esta región, los electrones pueden moverse libremente, porque no hay otros electrones donantes u otros elementos con los que colisionen los electrones, y la movilidad de los electrones en el gas es muy alta. El voltaje de polarización aplicado a la puerta formada como un diodo de barrera Schottky se usa para modular la cantidad de electrones en el canal formado a partir del gas de electrones 2D y, a su vez, controla la conductividad del dispositivo. El ancho del canal se puede cambiar por el voltaje de polarización de la puerta.

Aplicaciones de los HEMT

• El HEMT se desarrolló anteriormente para aplicaciones de alta velocidad. Debido a su bajo nivel de ruido, son ampliamente utilizados en pequeños amplificadores de señal, amplificadores de potencia, osciladores y mezcladores que operan a frecuencias de hasta 60 GHz.
• Los dispositivos HEMT se utilizan en una amplia gama de aplicaciones de diseño de RF que incluyen telecomunicaciones celulares, receptores de transmisión directa (DBS), radioastronomía, RADAR (Radio Detection and Ranging System) y se utilizan principalmente en cualquier aplicación de diseño de RF que requiera un bajo nivel de ruido y un rendimiento muy alto. . -operaciones de frecuencia.
• Hoy en día, los HEMT se incorporan más comúnmente a los circuitos integrados. Estos chips monolíticos de circuito integrado de microondas (MMIC) se utilizan ampliamente para aplicaciones de diseño de RF

Otro desarrollo del HEMT es el PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor). Los PHEMT se utilizan ampliamente en aplicaciones de comunicaciones inalámbricas y LNA (amplificador de bajo ruido). Ofrecen altos rendimientos energéticos y excelentes cifras de bajo ruido y rendimiento.

Así, se trata de Transistor de alta movilidad de electrones (HEMT), su funcionamiento y sus aplicaciones. Si tiene alguna pregunta sobre este tema o proyectos eléctricos y electrónicos, deje los comentarios a continuación.