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HEMT, transistor de alta movilidad de electrones

HEMT, transistor de alta movilidad de electrones

El nombre HEMT significa transistor de alta movilidad de electrones. El dispositivo es una forma de transistor de efecto de campo, FET, que utiliza una característica inusual de un canal muy estrecho que le permite operar a frecuencias extremadamente altas.

Además del rendimiento de muy alta frecuencia, el HEMT también ofrece un rendimiento de bajo ruido muy atractivo.

Esencialmente, el dispositivo es un transistor de efecto de campo que incorpora una unión entre dos materiales con diferentes intervalos de banda (es decir, una heterounión) como canal en lugar de una región dopada que se usa en el MOSFET estándar.

Como resultado de su estructura, el HEMT también puede denominarse FET de heterounión, HFET o FET dopado con modulación, MODFET en algunas ocasiones.

Desarrollo HEMT

Aunque el HEMT es básicamente una forma de transistor de efecto de campo, utiliza un modo inusual de movimiento de electrones.

Este modo de transporte de portadores se investigó por primera vez en 1969, pero no fue hasta 1980 que los primeros dispositivos experimentales estuvieron disponibles en investigación y uso inicial.

Durante la década de los 80 se empezaron a utilizar, pero dado su elevado coste inicial, su uso era muy limitado.

Ahora, con su costo algo menor, se utilizan más ampliamente, incluso encontrando usos en las telecomunicaciones móviles, así como en una variedad de enlaces de comunicaciones por radio por microondas y muchas otras aplicaciones de diseño de RF.

Estructura y fabricación de HEMT

El elemento clave dentro de un HEMT es la unión PN especializada que utiliza. Se conoce como heterounión y consiste en una unión que utiliza diferentes materiales a cada lado de la unión. Los materiales más comunes usaban arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) y arseniuro de galio (GaAs).

El arseniuro de galio se usa generalmente porque proporciona un alto nivel de movilidad electrónica básica que es crucial para el funcionamiento del dispositivo. No se utiliza silicio porque tiene un nivel mucho más bajo de movilidad de electrones.

Existe una variedad de estructuras diferentes que se pueden usar dentro de un HEMT, pero todas usan básicamente los mismos procesos de fabricación.

En la fabricación de un HEMT, primero se coloca una capa intrínseca de arseniuro de galio sobre la capa semiaislante de arseniuro de galio. Tiene un grosor de solo una micra.

A continuación, se coloca encima una capa muy fina (entre 30 y 60 Angstroms) de arseniuro de galio aluminio intrínseco. Su propósito es asegurar la separación de la interfaz de la heterounión de la región de arseniuro de galio y aluminio dopado. Esto es crítico si se quiere lograr una alta movilidad de electrones.

La capa dopada de arseniuro de aluminio y galio de unos 500 Angstroms de espesor se coloca encima de esta. Se requiere un control preciso del espesor de esta capa y se requieren técnicas especiales para el control de esto.

Hay dos estructuras principales que se utilizan. Estas son la estructura implantada de iones autoalineados y la estructura de la puerta del receso. En el caso de la estructura implantada de iones autoalineados, la puerta, el drenaje y la fuente están colocados hacia abajo y generalmente son contactos metálicos, aunque los contactos de la fuente y el drenaje a veces pueden estar hechos de germanio. La puerta generalmente está hecha de titanio y forma una unión polarizada inversa diminuta similar a la del GaAsFET.

Para la estructura de la compuerta de receso, se coloca otra capa de arseniuro de galio tipo n para permitir que se realicen los contactos de drenaje y fuente. Las áreas están grabadas como se muestra en el diagrama. El grosor debajo de la puerta también es muy crítico ya que esto determina el voltaje umbral del FET. El tamaño de la puerta y, por lo tanto, el canal es muy pequeño. Por lo general, la puerta tiene solo 0,25 micrones o menos, lo que permite que el dispositivo tenga un rendimiento de alta frecuencia muy bueno.

Operación HEMT

El funcionamiento del HEMT es algo diferente al de otros tipos de FET.

Los electrones de la región de tipo n se mueven a través de la red cristalina y muchos permanecen cerca de la heterounión. Estos electrones forman una capa que tiene solo un electrón de espesor y forma lo que se conoce como un gas de electrones bidimensional. Dentro de esta región, los electrones pueden moverse libremente porque no hay otros electrones donantes u otros elementos con los que los electrones colisionen y la movilidad de los electrones en el gas es muy alta.

Se utiliza una polarización aplicada a la puerta formada como un diodo de barrera Schottky para modular el número de electrones en el canal formado a partir del gas de electrones 2 D y, a su vez, esto controla la conductividad del dispositivo. Esto se puede comparar con los tipos más tradicionales de FET donde el ancho del canal cambia por el sesgo de la puerta.

El uso de dispositivos HEMT tiene varias ventajas:

  • Alta ganancia: Los HEMT tienen una alta ganancia en las frecuencias de microondas porque los portadores de carga son casi exclusivamente los portadores mayoritarios y los portadores minoritarios no están significativamente involucrados.
  • Ruido bajo: Los HEMT proporcionan un funcionamiento de muy bajo ruido porque la variación de corriente en los dispositivos es baja en comparación con otros dispositivos de efecto de campo.

Aplicaciones

El HEMT se desarrolló originalmente para aplicaciones de alta velocidad. Fue solo cuando se fabricaron los primeros dispositivos que se descubrió que exhibían una figura de ruido muy baja. Esto está relacionado con la naturaleza del gas de electrones bidimensional y el hecho de que hay menos colisiones de electrones.

Como resultado de su rendimiento de ruido, se utilizan ampliamente en amplificadores de señal pequeña de bajo ruido, amplificadores de potencia, osciladores y mezcladores que operan a frecuencias de hasta 60 GHz y más, y se anticipa que, en última instancia, los dispositivos estarán ampliamente disponibles para frecuencias de hasta aproximadamente 100. GHz. De hecho, los dispositivos HEMT se utilizan en una amplia gama de aplicaciones de diseño de RF que incluyen telecomunicaciones celulares, receptores de transmisión directa: DBS, radar, radioastronomía y cualquier aplicación de diseño de RF que requiera una combinación de bajo ruido y rendimiento de muy alta frecuencia.

Los HEMT son fabricados por muchos fabricantes de dispositivos semiconductores en todo el mundo. Pueden tener la forma de transistores discretos, pero hoy en día se incorporan más habitualmente a circuitos integrados. Estos chips de circuito integrado de microondas monolíticos, o MMIC, se utilizan ampliamente para aplicaciones de diseño de RF, y los MMIC basados ​​en HEMT se utilizan ampliamente para proporcionar el nivel requerido de rendimiento en muchas áreas.

Otros dispositivos basados ​​en HEMT

Hay varias variantes del dispositivo HEMT básico. Estos otros dispositivos proporcionan un rendimiento adicional en algunas áreas.

  • pHEMT: El PHEMT gana su nombre porque es un transistor pseudomórfico de alta movilidad de electrones. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en comunicaciones inalámbricas y aplicaciones LNA.

    Los transistores PHEMT ofrecen una eficiencia agregada de alta potencia combinada con excelentes cifras de ruido y rendimiento bajos. Como resultado, los PHEMT se utilizan ampliamente en los sistemas de comunicación por satélite de todas las formas, incluida la televisión por satélite de transmisión directa, DBS-TV, donde se utilizan en las cajas de bajo ruido, los LNB se utilizan con las antenas de satélite. También se utilizan en sistemas generales de comunicaciones por satélite, así como en sistemas de comunicaciones por radio por radar y microondas. La tecnología PHEMT también se utiliza en tecnología IC analógica y digital de alta velocidad donde se requiere una velocidad extremadamente alta.

  • mHEMT: El mHEMT o HEMT metamórfico es un desarrollo posterior del pHEMT. La capa amortiguadora está hecha de AlInAs, con la concentración de indio graduada de modo que pueda coincidir con la constante de red tanto del sustrato de GaAs como del canal de GaInAs. Esto trae la ventaja de que se puede utilizar prácticamente cualquier concentración de indio en el canal, por lo que los dispositivos se pueden optimizar para diferentes aplicaciones. Se ha encontrado que una concentración baja de indio proporciona un mejor rendimiento de bajo ruido mientras que una concentración alta de indio proporciona más ganancia.

Estas variantes de HEMT son menos conocidas, pero pueden proporcionar algunas características necesarias en algunas aplicaciones de nicho.

Ver el vídeo: HEMTModulation Doped Field Effect Transistors, How do they work? NANOELECTRONICSMODULE 6 Part 1. (Octubre 2020).