By Cadence
本文要點
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高(gāo)電子遷移率電晶體 (High electron mobility transistors ，HEMTs) 和(hé)應變式異質接面高(gāo)遷移率電晶體 (pseudomorphic high electron mobility transistors ，PHEMTs) 因其獨特的(de)、可(kě)提高(gāo)性能的(de)特點而大(dà)受歡迎 |
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在 HEMT 結構中，高(gāo)電子遷移率是由於摻雜的(de)寬頻半導體與未摻雜的(de)窄帶隙半導體並列在一起造成的(de) |
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HEMT 和(hé) PHEMT 常見於行動電話、衛星電視接收器、雷達和(hé)低雜訊放大(dà)器 |
用(yòng)於無線通(tōng)訊放大(dà)器和(hé)轉換器的(de)有源器件需要具備高(gāo)增益、高(gāo)速度和(hé)低雜訊的(de)特點。當用(yòng)於放大(dà)器和(hé)轉換器的(de)元件表現出這些增強的(de)特性時，系統的(de)性能會自動提升。
在毫米波頻段的(de)射頻和(hé)微波通(tōng)信系統中，高(gāo)電子遷移率電晶體 (HEMTs) 和(hé)應變式異質接面高(gāo)遷移率電晶體 (PHEMTs) 因其高(gāo)功耗附加效率、出色的(de)雜訊表現、高(gāo)開關速度和(hé)獨特的(de)電流-電壓特性而被廣泛使用(yòng)。這些特性使 HEMTs 和(hé) PHEMTs 能夠在廣泛的(de)應用(yòng)中提高(gāo)設計性能。
HEMTs 和(hé) PHEMTs 的(de)結構和(hé)操作
HEMTs 和(hé) PHEMTs 都是場效電晶體 (FET) 的(de)一種變體，適用(yòng)於單片微波積體電路 (MMIC) 的(de)製造。HEMT 和(hé) PHEMT 結構將移動載流子與摻雜離子物(wù)理(lǐ)隔離，並防止光(guāng)學聲子和(hé)離子化(huà)雜質造成潛在的(de)散射問題。
讓我們深入瞭解一下(xià) HEMTs 和(hé) PHEMTs 的(de)結構。
HEMTs 和(hé) PHEMTs 用(yòng)於提高(gāo)手機的(de)性能
HEMTs 的(de)結構
發明(míng) HEMTs 的(de)初衷是在室溫下(xià)的(de)半導體元件中獲得(de)高(gāo)電子遷移率。在 HEMTs 中用(yòng) AlxGa1-xAs/GaAs 量子阱異質結構實現的(de)高(gāo)電子遷移率迅速取代了(le)無線通(tōng)訊電路中的(de)金屬半導體 FET (MESFET)，因為後者的(de)電子遷移率即使在較高(gāo)的(de)摻雜水(shuǐ)準下(xià)也(yě)十分(fēn)有限。
在 HEMT 結構中，高(gāo)電子遷移率是由於摻雜的(de)寬頻半導體與未摻雜的(de)窄帶隙半導體並列在一起造成的(de)。這種具有不同帶隙的(de)兩種材料的(de)結構形成了(le)異質結，在摻雜區有一個通(tōng)道。這種 HEMT 也(yě)被稱為異質結構 FET (HFET) 或調製摻雜 FET (MODFET)。
當兩個不同帶隙和(hé)摻雜水(shuǐ)準的(de)半導體被整合到一個器件的(de)結構中時，電子會向能量較低的(de)窄帶隙材料移動。這種電荷轉移受到電子和(hé)供體離子之間電場的(de)排斥，並傾向於改變帶電位。
載流子被限制在窄帶隙未摻雜材料的(de)三角量子阱區域，該區域緊鄰寬頻隙摻雜材料。量子阱區域的(de)薄度創造了(le)自由載流子的(de)二維電子氣 (2DEG)。
在這個二維電子氣中，沒有其他(tā)供體電子，因此，該區域的(de)電子遷移率非常高(gāo)。這種異質結構有助於在 HEMT 中實現較高(gāo)的(de)電子遷移率。
在 HEMT 結構中使用(yòng)的(de)兩種半導體，其晶格常數或原子間的(de)間距相同。如果晶格常數不匹配，就會導緻傳導帶不連續、深層陷阱，並最終導緻 HEMT 性能下(xià)降。
異質結處傳導帶輕微的(de)不連續現象和(hé) 2DEG 之間缺失的(de)勢壘隻限制了(le)通(tōng)道中的(de)少數電子，導緻 HEMT 額定電流較低。
PHEMTs 的(de)結構
為了(le)克服 HEMTs 的(de)缺點，可(kě)以在通(tōng)道和(hé)基闆之間引入一個勢壘。為此，可(kě)以在砷化(huà)鎵 (GaAs) 緩衝器和(hé)供應層之間建立一個應變式砷化(huà)鎵銦微光(guāng)顯微鏡 (InGaAs) 通(tōng)道。這種結構上的(de)改變將 HEMTs轉變為了(le) PHEMT。GaAs 緩衝器和(hé)供應層之間的(de) InGaAs 通(tōng)道將 HEMT 轉變為 PHEMTs。PHEMTs 技術允許用(yòng)帶隙差異較大(dà)的(de)材料來製造 HEMT 元件。
HEMTs 的(de)應用(yòng)
得(de)益於氮化(huà)鎵/氮化(huà)鋁（GaN/AlGaN） HEMTs 的(de)進展，HEMT 元件可(kě)以用(yòng)於高(gāo)電壓、高(gāo)電流和(hé)低導通(tōng)電阻電路。
與基於矽和(hé)砷化(huà)鎵的(de)元件相比，基於氮化(huà)鎵的(de) HEMT 元件表現出了(le)特殊性能，如更高(gāo)的(de)擊穿電壓、飽和(hé)電子漂移速度、熱導率、功耗密度和(hé)更寬的(de)頻寬。
HEMT 元件的(de)用(yòng)途
當今的(de) HEMT 元件堅固耐用(yòng)、性能可(kě)靠，可(kě)用(yòng)於高(gāo)壓和(hé)高(gāo)溫應用(yòng)。它們經常出現在商業、軍事、汽車以及航空航太工業應用(yòng)中的(de)高(gāo)電壓和(hé)高(gāo)功耗轉換器中。
由於 2DEG 中的(de)電子碰撞較少，HEMT 元件的(de)雜訊係數非常低，使它們非常適合於在高(gāo)達 100GHz 的(de)頻率範圍內工作的(de)低雜訊放大(dà)器電路、振盪器和(hé)混合器。由於 HEMT 和(hé) PHEMT 具備低雜訊、高(gāo)開關速度和(hé)高(gāo)頻性能，也(yě)常被用(yòng)在射頻通(tōng)信系統中的(de) MMIC 上。常見的(de)應用(yòng)領域還包括高(gāo)速資料網路通(tōng)信系統、廣播接收器和(hé)雷達中使用(yòng)的(de)電路。
現代無線通(tōng)訊系統需要高(gāo)功耗密度的(de)放大(dà)器、振盪器和(hé)混頻器，同時成本要低。在各種行業中，為了(le)獲得(de)卓越性能，需要利用(yòng)高(gāo)頻運行的(de)射頻和(hé)微波電路提供高(gāo)增益、高(gāo)效率和(hé)低雜訊特性。HEMTs 和(hé) PHEMTs 是滿足這些標準的(de)創新半導體元件。如果您的(de)目標是提供穩健可(kě)靠的(de)電路，並改善增益、速度和(hé)雜訊特性，可(kě)以考慮在無線通(tōng)訊電路中用(yòng) HEMTs 和(hé) PHEMTs 取代傳統的(de) FETs，以提高(gāo)性能。
譯文授權轉載出處
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