טרנזיסטורים בעלי ניידות אלקטרונים גבוהה (HEMTs ו-HEM FETs) משתמשים ב-heterojunction ובערוץ גז אלקטרונים דו-ממדי (2DEG) כדי להגיע למהירויות גבוהות, רווח ורעש נמוך מאוד במעגלי RF, גלי מילימטר וחשמל. מאמר זה מסביר את מבנה השכבות שלהן, החומרים, המצבים, שיטות הצמיחה, האמינות, המידול ופריסת המעגלים המודעים בשלבים ברורים.
יסודות HEMTs ו-HEM FETs
טרנזיסטורים בעלי ניידות אלקטרונית גבוהה (HEMTs או HEM FETs) הם טרנזיסטורים עם אפקט שדה המשתמשים בגבול בין שני חומרים שונים של מוליכים למחצה במקום בערוץ יחיד ואחיד בדופינג כמו ב-MOSFET. גבול זה, הנקרא הטרוג'נקשן, מאפשר לאלקטרונים לנוע במהירות רבה בשכבה דקה עם התנגדות נמוכה. בגלל זה, HEMTs יכולים להחליף במהירויות גבוהות מאוד, לספק רווח אות חזק ולשמור על רעש נמוך במעגלים בתדרים גבוהים. מערכות חומרים נפוצות כמו GaN, GaAs ו-InP נבחרות כדי לאזן בין מהירות, עוצמת מתח ועלות, ולכן מערכות HEMT בשימוש נרחב באלקטרוניקה מודרנית בתדר גבוה ובהספק גבוה.
ערוץ 2DEG ב-HEMTs ו-HEM FETs
ב-HEMTs, הניידות הגבוהה מגיעה משכבה דקה מאוד של אלקטרונים הנקראת גז אלקטרונים דו-ממדי (2DEG). שכבה זו נוצרת בגבול בין שכבת מרווח פס רחב לתעלה עם פער פס צר יותר. התעלה אינה פתוחה, כך שהאלקטרונים נעים עם פחות התנגשויות, מה שיוצר מסלול זרם מהיר ובעל התנגדות נמוכה.
שלבים ביצירת 2DEG:
• אטומי תורם בשכבת הפס הרחב משחררים אלקטרונים.
• אלקטרונים נעים לערוץ הפס הצר בעל אנרגיה נמוכה יותר.
• באר קוונטית דקה נוצרת ולוכדת את האלקטרונים בתוך יריעה.
• דף 2DEG זה פועל כערוץ מהיר הנשלט על ידי השער.
מבנה השכבה ב-HEMTs ו-HEM FETs
שכבת כיסוי 3.1 n⁺ (פער פס נמוך)
מספק מסלול בעל התנגדות נמוכה למגעי המקור והניקוז. הפקק מוסר מתחת לשער כדי לשמור על שליטה בערוץ (ערוץ).
n⁺ שכבת תורם/מחסום רחב-פס
מספק אלקטרונים שממלאים את ה-2DEG ועוזר להתמודד עם שדות חשמליים גבוהים.
שכבת המרווח ללא דפוס
מפריד בין התורמים ל-2DEG כך שהאלקטרונים יראו פחות התנגשויות ויוכלו לנוע בקלות רבה יותר.
ערוץ/בופר צר-פס ללא דפוס
מחזיק את ה-2DEG ומאפשר לזרם לזרום במהירות בתדרים גבוהים ובשדות גבוהים.
מצע (Si, SiC, ספיר, GaAs או InP)
תומך בכל המבנה ונבחר לטיפול בחום, עלות והתאמת חומרים; GaN-on-Si ו-GaN-on-SiC נפוצים ב-HEMTs של הספק ו-RF.
אפשרויות חומר ל-HEMTs ו-HEM FETs
| מערכת חומרים | חוזקות עיקריות | טווח תדרים טיפוסי |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | רעש נמוך, יציב ומפותח היטב | מיקרוגל לגל mmWave נמוך |
| InAlAs / InGaAs ב-InP | מהירות גבוהה מאוד, רעש נמוך מאוד | mmWave ומעלה |
| AlGaN / GaN על SiC או Si | עוצמת מתח גבוה, הספק גבוה, מוכן לחם | RF, מיקרוגל, מיתוג כוח |
| Si / SiGe | עובד עם CMOS, ניידות טובה יותר מסיליקון | RF ודיגיטלי מהיר |
מבני pHEMT ו-mHEMT ב-HEMTs וב-HEM FETs
| סוג | גישת סריג | יתרונות עיקריים | מגבלות/פשרות טיפוסיות |
|---|---|---|---|
| pHEMT | משתמש בערוץ דק ומאונק מאוד שמוחזק מתחת לעובי קריטי כדי להתאים למצע | ניידות אלקטרונים גבוהה, פגמים נמוכים, ביצועים יציבים | עובי התעלה מוגבל; יש לנהל את המתח המאוחסן |
| mHEMT | משתמש בבופר "מטמורפי" מדורג שמשנה לאט את קבוע הסריג | מאפשר תכולת אינדיום גבוהה ומהירות גבוהה מאוד (fT גבוה) | בופר מורכב יותר, סיכון גבוה יותר לפגמים בגבישים |
מצבי שיפור ודלדול ב-HEMTs וב-HEM FETs
HEMTs במצב התרוקנות (dHEMT, בדרך כלל פועל)
• לעיתים קרובות נמצא במבני AlGaN/GaN שבהם 2DEG נוצר מעצמו.
• המכשיר מוליך ב-VGS = 0V; נדרש מתח שער שלילי כדי לכבות את הערוץ.
• יכול להגיע לרמות הספק גבוהות מאוד ולמתח תקלה גבוה, אך דורש טיפול נוסף כדי להפוך את המערכת לבטוחה מפני תקלות.
HEMTs במצב שיפור (eHEMT, בדרך כלל כבוי)
• נבנה כך שהערוץ כבוי ב-VGS = 0V.
• השיטות כוללות שקע בשער, שער p-GaN או טיפול בפלואור כדי להזיז את הסף לערך חיובי.
• פועל יותר כמו MOSFET, שיכול להקל על הגנה ושליטה במעגלי חשמל ורכב.
תפקידי RF וגלי מילימטר של HEMTs ו-HEM FETs
במעגלי RF וגלי מילימטר, HEMTs ו-HEM FET משמשים באופן נרחב כי הם יכולים לעבור במהירות רבה ולהוסיף רק כמות קטנה של רעש לאות. המבנה שלהם נותן להם גיין גבוה ומאפשר להם לעבוד בתדרים שבהם רבים מהתקני הסיליקון מתחילים להתקשות.
במערכות אלו, HEMTs משמשים לעיתים כמגברים בעלי רעש נמוך שמגבירים אותות חלשים עם רעש מינימלי, וכמגברי כוח שמובילים אותות חזקים בתדר גבוה. טכנולוגיות HEMT מתקדמות יכולות לשמור על רווח שימושי בטווח גלי מילימטר, ולכן הן בשימוש נרחב במעגלי תקשורת וחישה בתדרים גבוהים מאוד.
HEMTs של GaN ו-HEM FETs בהמרת חשמל
HEMTs של GaN ו-HEM FETs משמשים כיום כמתגים עיקריים בממירי הספק יעילים ותדרים גבוהים בטווח של 100–650 וולט. יש להם אובדן החלפה נמוך בהרבה מרוב MOSFETים מסיליקון, כך שהם יכולים לפעול במהירות של מאות קילוהרץ או אפילו לטווח מגה-הרץ תוך שמירה על יעילות.
מכשירים אלו מציעים גם התנגדות הפעלה נמוכה וטעינה נמוכה, מה שעוזר להפחית הן הפסדי הולכה והן הפסדי מתג. השדה החשמלי החזק שלהם וטיפול טוב בטמפרטורה תומכים במגנטיות קטנות יותר ובשלבי כוח קומפקטיים יותר. כדי לקבל את היתרונות הללו בבטחה, יש לתכנן בקפידה את כונן השער, פריסת ה-PCB ובקרת ה-EMI, כך שקצוות מתח מהירים והצלצול יישארו תחת שליטה.
גדילה אפיטקסית עבור HEMTs ו-HEM FETs
MBE (אפיטקסיה בקרן מולקולרית)
• משתמש בוואקום גבוה במיוחד ובשליטה מדויקת מאוד על הצמיחה.
• נפוץ במחקר וב-HEMTs בעלי נפח נמוך וביצועים גבוהים מאוד.
MOCVD (CVD מתכתי-אורגני)
• תומך בקצב העברת וייפרים גבוה.
• משמש ל-HEMTs מסחריים של GaN ו-GaAs, תוך איזון בין ביצועים לעלויות ייצור.
אמינות והתנהגות דינמית ב-HEMTs וב-HEM FETs
HEMTs מבוססי GaN ו-HEM FET עלולים להיתקל בבעיות אמינות כאשר הם מחליפים במתח גבוה ובהספק גבוה. מלכודות בבופר, במשטח או בממשקים עלולות לתפוס מטען במהלך החלפה, מה שמעלה את ההתנגדות הדינמית וחותך את הזרם, מה שמוביל לקריסת זרם בהשוואה לפעולה בזרם DC.
שדות חשמליים חזקים וטמפרטורות גבוהות ליד השער יכולים להוסיף עומס נוסף. עם הזמן, החלפות חוזרות, חום, לחות או קרינה יכולים לשנות בהדרגה ערכים כמו מתח סף ודליפה, ולכן תכנון תרמי טוב והגנה טובה תומכים ביציבות ארוכת טווח.
סיכום
התנהגות HEMT ו-HEM FET נובעת מערוץ 2DEG, מערכת החומרים הנבחרת, ומבנה pHEMT או mHEMT, המעוצבים על ידי עיצוב מצב שיפור או התרוקנות. יחד עם גידול MBE או MOCVD, מלכודות, התנגדות דינמית ומגבלות תרמיות מגדירים ביצועים אמיתיים. מודלים מדויקים של RF והספק יחד עם בחירות מדויקות של PCB ואריזה שומרים על יציבות התפעול.
שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]
איזה מתח להנעת שער זקוקים ל-GEM של GaN?
רוב ה-HEMTs במצב שיפור GaN משתמשים בהנעת שער של כ-0–6 וולט.
האם HEMTs זקוקים לדרייברים מיוחדים לשערים?
כן. הם זקוקים לדרייברים מהירים עם השראה נמוכה, לעיתים קרובות מעגלים משולבים ייעודיים לדרייבר GaN.
אילו חבילות נפוצות עבור HEMTs ו-HEM FET?
HEMTs של RF משתמשים בחבילות קרמיות RF או חבילות להרכבה על פני השטח. מערכות HEMT של Power GaN משתמשות בחבילות QFN/DFN, LGA, חבילות הספק בעלות אינדוקטנס נמוך, או חבילות בסגנון TO מסוימות.
כיצד הטמפרטורה משפיעה על ביצועי HEMT?
טמפרטורה גבוהה יותר מעלה את ההתנגדות לפעילות, מפחיתה זרם, מפחיתה את רווח ה-RF ומגבירה את הדליפה.
כיצד נבדקים HEMTs בממירי כוח?
הם נבדקים באמצעות בדיקת פולס כפול למדידת אנרגיית החלפה, אוברשוט, רינגינג ו-RDS(on).
אילו אמצעי בטיחות חשובים ל-HEMTs של GaN במתח גבוה?
השתמש בבידוד מחוזק, פיוזים או מפסקים מתאימים, הגנה מפני ברקים, זחילה ורווח תקנים, שליטה ב-DV/DT, והנעה מוגנת בשער.
