РЕФЕРАТ ТЕМА: HEMT и PHEMT транзистори от Referatite.com

Базираните на GaAs транзистори с висока подвижност на електроните HEMT (High-Electron Mobility Transistors), а също така и PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistors) транзисторите, често заместват конвенционалните MESFET технологии във военните и гражданските приложения, изискващи нисък шум и добри характеристики при милиметровите честоти. Прилагането на PHEMT за усилване с голяма ефективност добива все по-голяма популярност. Други често използване имена за HEMT транзистори са MODFET (Modulation Doped FET), TEGFET (Two_dimensional Electron Gas FET) и SDHT (Selective Doped Heterojunction Transistor). Главната разлика между HEMT и MESFET транзисторите е структурата на епитаксиалните слоеве. В структурата на HEMT, различни по състав слоеве израстват, за да се оптимизира и разшири действието на FET. За ІІІ-V полупроводници, използвайки GaAs подложка, най-често използваните материали са Al_xGa_1-xAs и GaAs. За повечето приложения, молната част на Al_xAs е между 0,2<x<0,3. За

Основната епитаксиалната структура на HEMT е показана на фиг. 2. Подобно на MESFET, HEMT структурата израства на GaAs подложка със собствена проводимост, по метода на молекулно лъчевата епитаксия (molecular beam epitaxy - MBE), или по-малко известния метод на отлагане чрез метало-органично химическо изпарение (metal-organic chemical vapor deposition - MOCVD). Таблица 1 съдържа най-честите MESFET, HEMT и pHEMT епитаксиални структури. Буферния слой, също от GaAs, се израства, за да изолира дефектите от подложката и да създаде добра повърхност, върху които да израснат активните слоеве на транзистора. Много PHEMT структури имат структура на суперрешетка. Суперрешетката представлява периодично подреждане на нелегирани епитаксиални слоеве, чрез което се реализира дебел епитаксиален слой с дадени свойства. Като пример за типична PHEMT суперрешетка може да бъде посочена

следната структура: редуващи се слоеве от Al_xGa_1-xAs и GaAs. Al_xGa_1-xAs има по-голяма ширина на забранената зона от GaAs, което го прави по-висш (по-активен) от буферния GaAs. Проблемите, обаче, в следствие на напрегнатостта на Al_xGa_1-xAs, правят дебелината на тези слоеве ограничена. За решаването на тази проблеми Al_xGa_1-xAs се израства с дебелина малко под максималната, след което отгоре му се израства тънък слой GaAs. GaAs освобождава напрежението и позволява да бъде израснат още един слой Al_xGa_1-xAs. Този процес на създаване на дебел буфер за Al_xGa_1-xAs, обикновено се повтаря 10 до 15 пъти. В конвенционалните HEMT структури, след това се израства канала. В идеална система, цялата електронна проводимост, би трябвало да се намира в канала. Най-важното нещо за канала в HEMT и PHEMT устройствата е двуразмерния електронен газ (2DEG - two-dimensional electron gas), който се получава в следствие на разликата в ширините на забранените зони на Al_xGa_1-xAs и GaAs (или Al_xGa_1-xAs и In_xGa_1-xAs в случая за PHEMT). Фиг. 3 показва зоната диаграма на типичен HEMT, както и 2DEG формиран от различните забранени зони. 2DEG се формира когато Al_xGa_1-xAs с по-голямата

забранена зона, позволява свободни електрони да дифузират от Al_xGa_1-xAs до GaAs (или In_xGa_1-xAs) с по-малка забранена зона, близо до интерфейса. Всъщност 2DEG е потенциалния бариер, който ограничава електроните в тънък слой. За разлика от MESFET, където канала е легиран и следователно има много йонизирани донори, 2DEG има значително по-малко Coulomb разпиляване, в резултат на което имаме структура с много високо бързодействие. В HEMT структурата има още обемен слой Al_xGa_1-xAs, донорен слой n⁺ Al_xGa_1-xAs, n Al_xGa_1-xAs Шотки контактен слой и високо легиран n⁺ GaAs слой. Обемния слой служи за разделяне на 2DEG от каквито и да било йонизирани донори генерирани от импулсно легиране или от n+ активния слой. Неудобството на обемния слой, обаче е в това, че с увеличаване на неговата дебелина, намалява концентрацията на токовите носители в канала. Донорният слой или Шотки слоя е n⁺ Al_xGa_1-xAs слой и служи за източник на електрони. За намаляване на възможността за пропускане на електрони в Al_xGa_1-xAs слоя (който има малка подвижност на електроните), трябва дебелината на Шотки слоя да бъде избрана така, че обедняването на гейта да съвпада с обедняването на интерфейса Al_xGa_1-xAs/2DEG за устройства в обеднен режим. Наличието на n⁺ GaAs е свързано със създаването на омови контакти с малко съпротивление. Описаната по-горе структура е типичен HEMT. Повечето на структурите използвани днес са варианти на тази, като се правят допълнения за различни приложения и прибори. Много PHEMT, например, които се използват за силови приложения, се правят с допълнителни силициеви слоеве за увеличаване на общото количество на заряда. Производството и типичното използване на HEMT и PHEMT устройствата са много близки до тези на MESFET. Съществуват някои разлики, свързани главно с наличието на Al_xGa_1-xAs в епитаксиалната структура. Както беше споменато по-рано, Al_xGa_1-xAs има по-голяма енергия на забранената зона от GaAs и тази големина се увеличава с наличието на AlAs. HEMT изисква омови контакти директно на 2DEG, което става по-трудно с наличието на AlAs. Предимството на AlGaAs е по-големия Шотки бариер, вследствие на отлагането на метален гейт върху AlGaAs. За съжаление по-високото легиране в донорния слой намалява пробивното напрежение. Въпреки това, обаче мощните HEMT и PHEMT структури с високи пробивни напрежение (>10 V) са създадени с помощта на double recess технологията или с намаляване на легирането в Шотки слоя. При работа HEMT и MESFET имат подобно поведение. Проводимостта се дава от следната формула: g_m=(v_satW_g)/d, където = диелектричната проницаемост на In_xGa_1-xAs, v_sat = скоростта на насищане на In_xGa_1-xAs, W_g = ширината на гейга и d = разстоянието между гейта и 2DEG. В условия на голямо електрично поле, HEMT показва по-голяма скорост на насищане от MESFET. Докато пропускането на електроните от соурса към дрейна, в канала е добре ограничено, g_m остава много висока при малки токови на дрейна. Това контрастира с MESFET, тъй като при малки токове на дрейна, разстоянието d ще се увеличава. Голямото бързодействие на HEMT е в резултата на съпротивлението на соурса и малкия паразитен шум на дрейна. В следствие на това f_t=g_m/(2C_gs) и f_max е по-висока от тази в случая на MESFET при дадена дължина на гейта, което води до по-малък шум и по-голямо усилване.

Надеждността на HEMT и PHEMT се влияе от епитаксиалните структури, производството на прибора и неговата геометрия. Едно от неудобствата при използването на Al_xGa_1-xAs в структурата е честото срещане на дефекти, наречени DX центрове, за Al_xAs при х=0,26. Тези дефекти са дълбоки донорни нива, които могат да доведат до намален ток на дрейна, увеличаване на нискочестотния шум и фотопроводимостта, и са проблематични при ниски температури. Създаването на DX центрове нараства при високо легиране на Al_xGa_1-xAs. DX центровете се избягват при запазване под х = 0,24 за n легиран Al_xGa_1-xAs. Вторият възможен проблем, който може да възникне е неограничеността на 2DEG при високотемпературни условия. Термалните тестове показват, че Al може да проникне странично в гейта, в следствие на което стават промени в зоната на проводимост. HEMT и PHEMT разчитат на малки геометрии за оптимални характеристики на работа, взимайки предимство с високата g_m. MESFET, HEMT и PHEMT имат едни и същи проблеми с надеждността на миграция на електрони и вътредифузията на метала. Като допълнение, топлите електронни дефекти, причинени от генерацията на лавинните електрони, също са проблем за HEMT и PHEMT. Топлите електрони водят до намаляване на тока, мощността и усилването при микровълните, като биват улавяни в пасивацията или в интерфейса на Al_xGa_1-xAs пасивация. Причина за катастрофални повреди или изгарянето на мощни прибори, може да стане високата температура на канала, в резултата на големия ток, който се изисква за тези високи мощности.

РЕФЕРАТ ТЕМА: HEMT и PHEMT транзистори

Welcome to ximbro.com