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HEMT, transistor à haute mobilité électronique

HEMT, transistor à haute mobilité électronique


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Le nom HEMT signifie transistor à haute mobilité électronique. Le dispositif est une forme de transistor à effet de champ, FET, qui utilise correctement un canal très étroit qui lui permet de fonctionner à des fréquences extrêmement élevées.

En plus des performances à très haute fréquence, le HEMT offre également des performances à faible bruit très attractives.

Essentiellement, le dispositif est un transistor à effet de champ qui incorpore une jonction entre deux matériaux avec des bandes interdites différentes (c'est-à-dire une hétérojonction) comme canal au lieu d'une région dopée qui est utilisée dans le MOSFET standard.

En raison de sa structure, le HEMT peut également être appelé FET à hétérojonction, HFET ou FET dopé par modulation, MODFET dans certaines occasions.

Développement HEMT

Même si le HEMT est essentiellement une forme de transistor à effet de champ, il utilise un mode inhabituel de mouvement d'électrons.

Ce mode de transport par transporteur a été étudié pour la première fois en 1969, mais ce n'est qu'en 1980 que les premiers dispositifs expérimentaux ont été disponibles pour l'enquête et l'utilisation initiale.

Au cours des années 80, ils ont commencé à être utilisés, mais étant donné leur coût initial très élevé, leur utilisation était très limitée.

Maintenant, avec leur coût un peu moins élevé, ils sont plus largement utilisés, trouvant même des utilisations dans les télécommunications mobiles ainsi que dans une variété de liaisons de radiocommunication micro-ondes et de nombreuses autres applications de conception RF.

Structure et fabrication HEMT

L'élément clé d'un HEMT est la jonction PN spécialisée qu'il utilise. Il est connu sous le nom d'hétéro-jonction et consiste en une jonction qui utilise différents matériaux de chaque côté de la jonction. Les matériaux les plus courants sont l'arséniure d'aluminium et de gallium (AlGaAs) et l'arséniure de gallium (GaAs).

L'arséniure de gallium est généralement utilisé car il fournit un niveau élevé de mobilité électronique de base qui est cruciale pour le fonctionnement de l'appareil. Le silicium n'est pas utilisé car il a un niveau de mobilité électronique beaucoup plus faible.

Il existe une variété de structures différentes qui peuvent être utilisées dans un HEMT, mais toutes utilisent essentiellement les mêmes processus de fabrication.

Lors de la fabrication d'un HEMT, une couche intrinsèque d'arséniure de gallium est d'abord déposée sur la couche d'arséniure de gallium semi-isolante. C'est seulement environ un micron d'épaisseur.

Ensuite, une couche très mince (entre 30 et 60 Angströms) d'arséniure d'aluminium et de gallium intrinsèque est déposée sur le dessus. Son but est d'assurer la séparation de l'interface hétéro-jonction de la région d'arséniure d'aluminium et de gallium dopé. Ceci est essentiel si l'on veut obtenir une mobilité électronique élevée.

La couche dopée d'arséniure d'aluminium et de gallium d'une épaisseur d'environ 500 Angströms est déposée au-dessus. Un contrôle précis de l'épaisseur de cette couche est nécessaire et des techniques spéciales sont nécessaires pour le contrôler.

Deux structures principales sont utilisées. Il s'agit de la structure implantée ionique auto-alignée et de la structure de grille en retrait. Dans le cas de la structure à implantation ionique auto-alignée, la grille, le drain et la source sont posés et sont généralement des contacts métalliques, bien que les contacts de source et de drain puissent parfois être en germanium. La grille est généralement en titane et forme une minuscule jonction polarisée en inverse similaire à celle du GaAsFET.

Pour la structure de grille évidée, une autre couche d'arséniure de gallium de type n est déposée pour permettre la réalisation des contacts de drain et de source. Les zones sont gravées comme indiqué dans le diagramme. L'épaisseur sous la grille est également très critique car la tension de seuil du FET en est déterminée. La taille de la porte, et donc du canal, est très petite. Typiquement, la grille ne mesure que 0,25 microns ou moins, ce qui permet au dispositif d'avoir de très bonnes performances haute fréquence.

Fonctionnement HEMT

Le fonctionnement du HEMT est quelque peu différent des autres types de FET.

Les électrons de la région de type n se déplacent à travers le réseau cristallin et beaucoup restent proches de l'hétéro-jonction. Ces électrons forment une couche qui n'a qu'un électron d'épaisseur formant ce que l'on appelle un gaz d'électrons bidimensionnel. Dans cette région, les électrons sont capables de se déplacer librement car il n'y a pas d'autres électrons donneurs ou d'autres objets avec lesquels les électrons entreront en collision et la mobilité des électrons dans le gaz est très élevée.

Une polarisation appliquée à la grille formée comme une diode à barrière Schottky est utilisée pour moduler le nombre d'électrons dans le canal formé à partir du gaz d'électrons 2 D et à son tour, cela contrôle la conductivité du dispositif. Ceci peut être comparé aux types plus traditionnels de FET où la largeur du canal est modifiée par la polarisation de grille.

Il y a plusieurs avantages à utiliser les appareils HEMT:

  • Gain élevé: Les HEMT ont un gain élevé aux fréquences micro-ondes car les porteurs de charge sont presque exclusivement les porteurs majoritaires et les porteurs minoritaires ne sont pas impliqués de manière significative.
  • Faible bruit: Les HEMT fournissent un fonctionnement à très faible bruit car la variation de courant dans les appareils est faible par rapport aux autres appareils à effet de champ.

Applications

Le HEMT a été développé à l'origine pour les applications à grande vitesse. Ce n'est que lorsque les premiers appareils ont été fabriqués qu'il a été découvert qu'ils présentaient un très faible bruit. Ceci est lié à la nature du gaz d'électrons bidimensionnel et au fait qu'il y a moins de collisions d'électrons.

En raison de leurs performances en matière de bruit, ils sont largement utilisés dans les petits amplificateurs de signal à faible bruit, les amplificateurs de puissance, les oscillateurs et les mélangeurs fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 60 GHz et plus et il est prévu que les appareils seront finalement largement disponibles pour des fréquences jusqu'à environ 100 GHz. En fait, les appareils HEMT sont utilisés dans une large gamme d'applications de conception RF, y compris les télécommunications cellulaires, les récepteurs de diffusion directe - DBS, radar, radioastronomie et toute application de conception RF nécessitant une combinaison de performances à faible bruit et à très haute fréquence.

Les HEMT sont fabriqués par de nombreux fabricants de dispositifs à semi-conducteurs dans le monde entier. Ils peuvent se présenter sous la forme de transistors discrets, mais de nos jours ils sont le plus souvent incorporés dans des circuits intégrés. Ces puces à circuits intégrés hyperfréquences monolithiques, ou MMIC, sont largement utilisées pour les applications de conception RF, et les MMIC basés sur HEMT sont largement utilisés pour fournir le niveau de performance requis dans de nombreux domaines.

Autres appareils basés sur HEMT

Il existe plusieurs variantes de l'appareil HEMT de base. Ces autres appareils offrent des performances supplémentaires dans certains domaines.

  • pHEMT: Le PHEMT tire son nom du fait qu'il s'agit d'un transistor pseudomorphique à haute mobilité électronique. Ces appareils sont largement utilisés dans les communications sans fil et les applications LNA.

    Les transistors PHEMT offrent une efficacité accrue de puissance élevée combinée à d'excellents chiffres et performances à faible bruit. En conséquence, les PHEMT sont largement utilisés dans les systèmes de communication par satellite de toutes formes, y compris la télévision par satellite à diffusion directe, DBS-TV, où ils sont utilisés dans les boîtiers à faible bruit, les LNB utilisés avec les antennes satellites. Ils sont également utilisés dans les systèmes généraux de communication par satellite ainsi que dans les systèmes de radiocommunication radar et micro-ondes. La technologie PHEMT est également utilisée dans la technologie IC analogique et numérique à grande vitesse où une vitesse extrêmement élevée est requise.

  • mHEMT: Le mHEMT ou HEMT métamorphique est un développement ultérieur du pHEMT. La couche tampon est faite d'AlInAs, avec la concentration d'indium graduée de sorte qu'elle puisse correspondre à la constante de réseau du substrat GaAs et du canal GaInAs. Cela présente l'avantage que pratiquement n'importe quelle concentration d'indium dans le canal peut être utilisée, de sorte que les dispositifs peuvent être optimisés pour différentes applications. On constate qu'une faible concentration en indium fournit de meilleures performances à faible bruit tandis qu'une concentration élevée en indium fournit plus de gain.

Ces variantes HEMT sont moins connues, mais capables de fournir certaines caractéristiques nécessaires dans certaines applications de niche.


Voir la vidéo: Origin of 2DEG in GaN HEMT (Mai 2022).