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本文要點(diǎn)

高電子遷移率晶體管 (High electron mobility transistors ，HEMT) 和偽高電子遷移率晶體管 (pseudomorphic high electron mobility transistors ，PHEMT) 因其獨(dú)特的、可提高性能的特點(diǎn)而大受歡迎

在 HEMT 結(jié)構(gòu)中，高電子遷移率是由于摻雜的寬帶半導(dǎo)體與未摻雜的窄帶隙半導(dǎo)體并列在一起造成的

HEMT 和 PHEMT 常見于移動(dòng)電話、衛(wèi)星電視接收器、雷達(dá)和低噪聲放大器。

用于無線通信放大器和轉(zhuǎn)換器的有源器件需要具備高增益、高速度和低噪聲的特點(diǎn)。當(dāng)用于放大器和轉(zhuǎn)換器的元件表現(xiàn)出這些增強(qiáng)的特性時(shí)，系統(tǒng)的性能會(huì)自動(dòng)提升。

在毫米波頻段的射頻和微波通信系統(tǒng)中，高電子遷移率晶體管 (HEMT) 和偽高電子遷移率晶體管 (PHEMT) 因其高功耗附加效率、出色的噪聲表現(xiàn)、高開關(guān)速度和獨(dú)特的電流-電壓特性而被廣泛使用。這些特性使 HEMT 和 PHEMT 能夠在廣泛的應(yīng)用中提高設(shè)計(jì)性能。

HEMT 和 PHEMT 的結(jié)構(gòu)和操作

HEMT 和 PHEMT 都是場效應(yīng)晶體管 (FET) 的一種變體，適用于單片微波集成電路 (MMIC) 的制造。HEMT 和 PHEMT 結(jié)構(gòu)將移動(dòng)載流子與摻雜離子物理隔離，并防止光學(xué)聲子和離子化雜質(zhì)造成潛在的散射問題。

讓我們深入了解一下 HEMT 和 PHEMT 的結(jié)構(gòu)。

HEMT 和 PHEMT 用于提高手機(jī)的性能

HEMT 的結(jié)構(gòu)

發(fā)明 HEMT 的初衷是在室溫下的半導(dǎo)體器件中獲得高電子遷移率。在 HEMT 中用 AlxGa1-xAs/GaAs 量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高電子遷移率迅速取代了無線通信電路中的金屬半導(dǎo)體 FET (MESFET)，因?yàn)楹笳叩碾娮舆w移率即使在較高的摻雜水平下也十分有限。

在 HEMT 結(jié)構(gòu)中，高電子遷移率是由于摻雜的寬帶半導(dǎo)體與未摻雜的窄帶隙半導(dǎo)體并列在一起造成的。這種具有不同帶隙的兩種材料的結(jié)構(gòu)形成了異質(zhì)結(jié)，在摻雜區(qū)有一個(gè)通道。這種 HEMT 也被稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu) FET (HFET) 或調(diào)制摻雜 FET (MODFET)。

當(dāng)兩個(gè)不同帶隙和摻雜水平的半導(dǎo)體被整合到一個(gè)器件的結(jié)構(gòu)中時(shí)，電子會(huì)向能量較低的窄帶隙材料移動(dòng)。這種電荷轉(zhuǎn)移受到電子和供體離子之間電場的排斥，并傾向于改變帶電位。

載流子被限制在窄帶隙未摻雜材料的三角量子阱區(qū)域，該區(qū)域緊鄰寬帶隙摻雜材料。量子阱區(qū)域的薄度創(chuàng)造了自由載流子的二維電子氣 (2DEG)。

在這個(gè)二維電子氣中，沒有其他供體電子，因此，該區(qū)域的電子遷移率非常高。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)有助于在 HEMT 中實(shí)現(xiàn)較高的電子遷移率。

在 HEMT 結(jié)構(gòu)中使用的兩種半導(dǎo)體，其晶格常數(shù)或原子間的間距相同。如果晶格常數(shù)不匹配，就會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)帶不連續(xù)、深層陷阱，并最終導(dǎo)致 HEMT 性能下降。

異質(zhì)結(jié)處傳導(dǎo)帶輕微的不連續(xù)現(xiàn)象和 2DEG 之間缺失的勢壘只限制了通道中的少數(shù)電子，導(dǎo)致 HEMT 額定電流較低。

PHEMT 的結(jié)構(gòu)

為了克服 HEMT 的缺點(diǎn)，可以在通道和基板之間引入一個(gè)勢壘。為此，可以在砷化鎵 (GaAs) 緩沖器和供應(yīng)層之間建立一個(gè)贗晶砷化鎵 (InGaAs) 通道。這種結(jié)構(gòu)上的改變將 HEMT 轉(zhuǎn)變?yōu)榱?PHEMT。GaAs 緩沖器和供應(yīng)層之間的 InGaAs 通道將 HEMT 轉(zhuǎn)變?yōu)?PHEMT。PHEMT 技術(shù)允許用帶隙差異較大的材料來制造 HEMT 器件。

HEMT 的應(yīng)用

得益于氮化鎵/氮化鋁（GaN/AlGaN） HEMT 的進(jìn)展，HEMT 器件可以用于高電壓、高電流和低導(dǎo)通電阻電路。

與基于硅和砷化鎵的器件相比，基于氮化鎵的 HEMT 器件表現(xiàn)出了特殊性能，如更高的擊穿電壓、飽和電子漂移速度、熱導(dǎo)率、功耗密度和更寬的帶寬。

HEMT 元件的用途

當(dāng)今的 HEMT 元件堅(jiān)固耐用、性能可靠，可用于高壓和高溫應(yīng)用。它們經(jīng)常出現(xiàn)在商業(yè)、軍事、汽車以及航空航天工業(yè)應(yīng)用中的高電壓和高功耗轉(zhuǎn)換器中。

由于 2DEG 中的電子碰撞較少，HEMT 器件的噪聲系數(shù)非常低，使它們非常適合于在高達(dá) 100GHz 的頻率范圍內(nèi)工作的低噪聲放大器電路、振蕩器和混合器。由于 HEMT 和 PHEMT 具備低噪聲、高開關(guān)速度和高頻性能，也常被用在射頻通信系統(tǒng)中的 MMIC 上。常見的應(yīng)用領(lǐng)域還包括高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、廣播接收器和雷達(dá)中使用的電路。

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)需要高功耗密度的放大器、振蕩器和混頻器，同時(shí)成本要低。在各種行業(yè)中，為了獲得卓越性能，需要利用高頻運(yùn)行的射頻和微波電路提供高增益、高效率和低噪聲特性。HEMT 和 PHEMT 是滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新半導(dǎo)體元件。如果您的目標(biāo)是提供穩(wěn)健可靠的電路，并改善增益、速度和噪聲特性，可以考慮在無線通信電路中用 HEMTS 和 PHEMT 取代傳統(tǒng)的 FET，以提高性能。

審核編輯 黃宇