บทช่วยสอนเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์แบบเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนสูง (HEMT)

HEMT หรือ High Electron Mobility Transistor คือ ประเภทของทรานซิสเตอร์สนามเอฟเฟกต์ (FET) ซึ่งใช้เพื่อนำเสนอการรวมกันของสัญญาณรบกวนต่ำและประสิทธิภาพระดับสูงมากที่ความถี่ไมโครเวฟ นี่เป็นอุปกรณ์สำคัญสำหรับวงจรดิจิตอลความเร็วสูงความถี่สูงและวงจรไมโครเวฟที่มีการใช้งานที่มีเสียงรบกวนต่ำ แอปพลิเคชันเหล่านี้รวมถึงการคำนวณการสื่อสารโทรคมนาคมและเครื่องมือวัด และอุปกรณ์นี้ยังใช้ในการออกแบบ RF ซึ่งต้องการประสิทธิภาพสูงที่ความถี่ RF ที่สูงมาก

โครงสร้างทรานซิสเตอร์แบบเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนสูง (HEMT)

องค์ประกอบหลักที่ใช้ในการสร้าง HEMT คือทางแยก PN เฉพาะ เป็นที่รู้จักกันในชื่อทางแยกต่างกันและประกอบด้วยทางแยกที่ใช้วัสดุที่แตกต่างกันทั้งสองด้านของทางแยก แทนที่จะเป็นไฟล์ p-n ทางแยก ใช้ทางแยกโลหะ - เซมิคอนดักเตอร์ (สิ่งกีดขวาง Schottky แบบย้อนกลับ) ซึ่งความเรียบง่ายของสิ่งกีดขวาง Schottky ช่วยให้การประดิษฐ์สามารถปิดความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตได้

วัสดุที่ใช้กันมากที่สุดคือ Aluminium Gallium Arsenide (AlGaAs) และ Gallium Arsenide (GaAs) โดยทั่วไปมักใช้ Gallium Arsenide เนื่องจากมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนขั้นพื้นฐานในระดับสูงซึ่งมีการเคลื่อนที่และความเร็วในการลอยของผู้ให้บริการสูงกว่า Si

Schematic Cross Section ของ HEMT

การผลิต HEMT ตามขั้นตอนต่อไปนี้ชั้นแรกของ Gallium Arsenide จะถูกวางลงบนชั้น Gallium Arsenide แบบกึ่งฉนวน หนาประมาณ 1 ไมครอนเท่านั้น หลังจากนั้นชั้นที่บางมากระหว่าง 30 ถึง 60 อังสตรอมของอลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ภายในจะถูกวางลงที่ด้านบนของชั้นนี้ จุดประสงค์หลักของเลเยอร์นี้คือเพื่อให้แน่ใจว่ามีการแยกส่วนต่อประสาน Hetero-junction ออกจากบริเวณ Aluminium Gallium Arsenide ที่เจือ

นี่เป็นเรื่องสำคัญมากหากจะต้องทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระดับสูง ชั้นเจือของ Aluminium Gallium Arsenide ที่มีความหนาประมาณ 500 Angstroms ถูกวางไว้ด้านบนดังแสดงในแผนภาพด้านล่าง ต้องใช้ความหนาที่แน่นอนของชั้นนี้และต้องใช้เทคนิคพิเศษในการควบคุมความหนาของชั้นนี้

มีโครงสร้างหลักสองโครงสร้างคือโครงสร้างฝังไอออนแบบปรับแนวได้เองและโครงสร้างประตูถอย ในโครงสร้างที่ฝังอิออนแบบปรับทิศทางได้เองประตูท่อระบายน้ำและแหล่งที่มาจะถูกกำหนดลงและโดยทั่วไปจะเป็นหน้าสัมผัสโลหะแม้ว่าบางครั้งหน้าสัมผัสต้นทางและท่อระบายน้ำอาจทำจากเจอร์เมเนียม โดยทั่วไปประตูจะทำจากไทเทเนียมและสร้างทางแยกแบบเอนเอียงแบบย้อนกลับหนึ่งนาทีคล้ายกับ GaAs-FET

สำหรับโครงสร้างประตูช่องจะมีการตั้งค่า Gallium Arsenide ชนิด n อีกชั้นหนึ่งเพื่อให้สามารถสร้างท่อระบายน้ำและหน้าสัมผัสแหล่งที่มาได้ พื้นที่ถูกแกะสลักดังแสดงในแผนภาพด้านล่าง

ความหนาใต้ประตูก็สำคัญมากเช่นกันเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของ FET ถูกกำหนดโดยความหนาเท่านั้น ขนาดของประตูและด้วยเหตุนี้ช่องจึงมีขนาดเล็กมาก เพื่อรักษาประสิทธิภาพความถี่สูงโดยทั่วไปขนาดของประตูควรมีขนาด 0.25 ไมครอนหรือน้อยกว่า

แผนภาพข้ามส่วนเปรียบเทียบโครงสร้างของ AlGaAs หรือ GaAs HEMT และ GaAs

การทำงานของ HEMT

การทำงานของ HEMT แตกต่างจาก FET ประเภทอื่นเล็กน้อยและด้วยเหตุนี้จึงสามารถให้ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างมากเหนือทางแยกมาตรฐานหรือ MOS FETs และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งาน RF ไมโครเวฟ อิเล็กตรอนจากพื้นที่ประเภท n เคลื่อนที่ผ่านโครงตาข่ายคริสตัลและจำนวนมากยังคงอยู่ใกล้กับจุดเชื่อมต่อเฮเทอโร อิเล็กตรอนเหล่านี้ในชั้นที่มีความหนาเพียงชั้นเดียวก่อตัวเป็นก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติดังแสดงในรูปด้านบน (ก)

ภายในบริเวณนี้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนของผู้บริจาคอื่น ๆ หรือสิ่งของอื่นใดที่อิเล็กตรอนจะชนกันและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในก๊าซนั้นสูงมาก แรงดันไบแอสที่ใช้กับประตูที่สร้างขึ้นเป็นไดโอดกั้น Schottky ใช้เพื่อปรับจำนวนอิเล็กตรอนในช่องที่เกิดจากก๊าซอิเล็กตรอน 2 D และต่อเนื่องกันนี้จะควบคุมการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์ ความกว้างของช่องสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยแรงดันเกตไบแอส

การใช้งาน HEMT

• เดิม HEMT ได้รับการพัฒนาสำหรับการใช้งานความเร็วสูง เนื่องจากประสิทธิภาพของสัญญาณรบกวนต่ำจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องขยายสัญญาณขนาดเล็กเครื่องขยายกำลังออสซิลเลเตอร์และเครื่องผสมที่ทำงานที่ความถี่สูงถึง 60 GHz
• อุปกรณ์ HEMT ถูกใช้ในแอพพลิเคชั่นการออกแบบ RF ที่หลากหลายรวมถึงการสื่อสารโทรคมนาคมเซลลูลาร์เครื่องรับสัญญาณออกอากาศโดยตรง - DBS ดาราศาสตร์วิทยุ RADAR (ระบบตรวจจับและกำหนดระยะวิทยุ) และใช้เป็นหลักในแอปพลิเคชันการออกแบบ RF ที่ต้องการทั้งประสิทธิภาพเสียงต่ำและการทำงานที่มีความถี่สูงมาก
• ปัจจุบัน HEMT มักจะรวมอยู่ใน วงจรรวม . Monolithic Microwave Integrated Circuit chips (MMIC) เหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแอพพลิเคชั่นออกแบบ RF

การพัฒนาเพิ่มเติมของ HEMT คือ PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor) PHEMT ถูกใช้อย่างกว้างขวางในการสื่อสารไร้สายและแอพพลิเคชั่น LNA (Low Noise Amplifier) มีประสิทธิภาพเพิ่มกำลังสูงและตัวเลขและประสิทธิภาพเสียงรบกวนต่ำที่ยอดเยี่ยม

ดังนั้นทั้งหมดนี้เป็นข้อมูลเกี่ยวกับ ทรานซิสเตอร์เคลื่อนที่อิเล็กตรอนสูง (HEMT) การก่อสร้างการใช้งานและการใช้งาน หากคุณมีข้อสงสัยเกี่ยวกับหัวข้อนี้หรือเกี่ยวกับโครงการไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์โปรดแสดงความคิดเห็นด้านล่าง