Tutorial sobre transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT)

Tutorial sobre transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT)

O HEMT ou transistor de alta mobilidade de elétrons é um tipo de transistor de efeito de campo (FET) , que é usado para oferecer uma combinação de figura de baixo ruído e níveis muito altos de desempenho em frequências de microondas. Este é um dispositivo importante para alta velocidade, alta frequência, circuitos digitais e circuitos de micro-ondas com aplicações de baixo ruído. Esses aplicativos incluem computação, telecomunicações e instrumentação. E o dispositivo também é usado em projetos de RF, onde alto desempenho é necessário em frequências de RF muito altas.



Construção do transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT)

O elemento chave que é usado para construir um HEMT é a junção PN especializada. É conhecido como hetero-junção e consiste em uma junção que usa diferentes materiais de cada lado da junção. Ao invés de junção p-n , uma junção metal-semicondutor (barreira Schottky de polarização reversa) é usada, onde a simplicidade das barreiras Schottky permite a fabricação para fechar tolerâncias geométricas.


Os materiais mais comuns usados ​​Arsenieto de Gálio de Alumínio (AlGaAs) e Arsenieto de Gálio (GaAs). O Arsenieto de Gálio é geralmente usado porque fornece um alto nível de mobilidade básica de elétrons, que possui mobilidades e velocidades de deriva de portadores mais altas do que o Si.





Seção transversal esquemática de um HEMT

Seção transversal esquemática de um HEMT

A fabricação de um HEMT como segue o procedimento, primeiro uma camada intrínseca de arseneto de gálio é colocada na camada semi-isolante de arsenieto de gálio. Tem apenas cerca de 1 mícron de espessura. Depois disso, uma camada muito fina entre 30 e 60 Angstroms de arseneto de gálio e alumínio intrínseco é colocada no topo dessa camada. O objetivo principal desta camada é garantir a separação da interface Hetero-junção da região de Arseneto de Gálio e Alumínio dopado.



Isso é muito crítico para que a alta mobilidade do elétron seja alcançada. A camada dopada de Arsenieto de Gálio e Alumínio com cerca de 500 Angstroms de espessura é colocada acima dela, conforme mostrado nos diagramas abaixo. A espessura exata desta camada é necessária e técnicas especiais são necessárias para o controle da espessura desta camada.

Existem duas estruturas principais que são a estrutura implantada com íons autoalinhados e a estrutura da porta de recesso. Na estrutura implantada com íons autoalinhados, o portão, o dreno e a fonte são definidos e geralmente são contatos metálicos, embora os contatos da fonte e do dreno possam às vezes ser feitos de germânio. O portão é geralmente feito de titânio e forma uma junção de polarização reversa minúscula semelhante à do GaAs-FET.


Para a estrutura da porta de recesso, outra camada de arsenieto de gálio tipo n é colocada para permitir que o dreno e os contatos da fonte sejam feitos. As áreas são gravadas conforme mostrado no diagrama abaixo.

A espessura sob a porta também é muito crítica, uma vez que a voltagem limite do FET é determinada apenas pela espessura. O tamanho do portão e, portanto, o canal é muito pequeno. Para manter um desempenho de alta frequência, o tamanho do gate deve ser de 0,25 mícrons ou menos.

Diagramas de seção transversal comparando estruturas de um HEMT AlGaAs ou GaAs e um GaAs

Diagramas transversais comparando estruturas de um HEMT AlGaAs ou GaAs e um GaAs

Operação HEMT

A operação do HEMT é um pouco diferente de outros tipos de FET e, como resultado, é capaz de fornecer um desempenho muito melhorado em relação à junção padrão ou MOS FETs e, em particular, em aplicações de RF de microondas. Os elétrons da região do tipo n se movem através da rede cristalina e muitos permanecem próximos à Hetero-junção. Esses elétrons em uma camada que tem apenas uma camada de espessura, formando-se como um gás de elétron bidimensional mostrado na figura acima (a).

Nessa região, os elétrons são capazes de se mover livremente, porque não há outros elétrons doadores ou outros itens com os quais os elétrons colidam e a mobilidade dos elétrons no gás é muito alta. A tensão de polarização aplicada à porta formada como um diodo de barreira Schottky é usada para modular o número de elétrons no canal formado a partir do gás de elétron 2 D e consecutivamente controla a condutividade do dispositivo. A largura do canal pode ser alterada pela tensão de polarização da porta.

Aplicações de HEMT

  • O HEMT foi desenvolvido anteriormente para aplicações de alta velocidade. Devido ao seu desempenho de baixo ruído, eles são amplamente usados ​​em pequenos amplificadores de sinal, amplificadores de potência, osciladores e mixers operando em frequências de até 60 GHz.
  • Os dispositivos HEMT são usados ​​em uma ampla gama de aplicações de design de RF, incluindo telecomunicações celulares, receptores de transmissão direta - DBS, radioastronomia, RADAR (Sistema de detecção e alcance de rádio) e usado principalmente em qualquer aplicativo de design de RF que requeira desempenho de baixo ruído e operações de frequência muito alta.
  • Hoje em dia, HEMTs são mais comumente incorporados em circuitos integrados . Esses chips de circuito integrado de micro-ondas monolíticos (MMIC) são amplamente usados ​​para aplicações de design de RF

Um outro desenvolvimento do HEMT é o PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor). Os PHEMTs são amplamente usados ​​em comunicações sem fio e aplicações LNA (Low Noise Amplifier). Eles oferecem eficiências adicionais de alta potência e excelentes figuras e desempenho de baixo ruído.

Portanto, isso é tudo sobre Transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT) construção, seu funcionamento e aplicações. Se você tiver alguma dúvida sobre este assunto ou sobre os projetos elétricos e eletrônicos deixe os comentários abaixo.