Transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT dan HEM FET) menggunakan saluran heterojunction dan gas elektron dua dimensi (2DEG) untuk mencapai kecepatan yang sangat tinggi, penguatan, dan kebisingan rendah dalam sirkuit RF, gelombang milimeter, dan daya. Artikel ini menjelaskan struktur lapisan, bahan, mode, metode pertumbuhan, keandalan, pemodelan, dan tata letak PCB dalam langkah-langkah yang jelas.
Dasar-dasar HEMT dan HEM FET
Transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT atau HEM FET) adalah transistor efek medan yang menggunakan batas antara dua bahan semikonduktor yang berbeda alih-alih satu saluran yang didoping secara seragam seperti dalam MOSFET. Batas ini, yang disebut heterojunction, memungkinkan elektron bergerak sangat cepat dalam lapisan tipis dengan resistansi rendah. Karena itu, HEMT dapat beralih pada kecepatan yang sangat tinggi, memberikan penguatan sinyal yang kuat, dan menjaga kebisingan tetap rendah di sirkuit frekuensi tinggi. Sistem material umum seperti GaN, GaAs, dan InP dipilih untuk menyeimbangkan kecepatan, kekuatan tegangan, dan biaya, sehingga HEMT digunakan secara luas dalam elektronik frekuensi tinggi dan daya tinggi modern.
Saluran 2DEG di HEMT dan FET HEM
Dalam HEMT, mobilitas tinggi berasal dari lapisan elektron yang sangat tipis yang disebut gas elektron dua dimensi (2DEG). Lapisan ini terbentuk di batas antara lapisan celah pita lebar dan saluran celah pita yang lebih sempit. Saluran ini tidak didope, sehingga elektron bergerak dengan tumbukan yang lebih sedikit, memberikan jalur cepat dan resistansi rendah untuk arus.
Langkah-langkah dalam pembentukan 2DEG:
• Atom donor di lapisan celah pita lebar melepaskan elektron.
• Elektron bergerak ke saluran celah pita sempit berenergi rendah.
• Sumur kuantum tipis membentuk dan menjebak elektron dalam lembaran.
• Lembaran 2DEG ini bertindak sebagai saluran cepat yang dikendalikan oleh gerbang.
Struktur Lapisan di HEMT dan FET HEM
n⁺ lapisan tutup (celah pita rendah)
Menyediakan jalur resistansi rendah untuk kontak sumber dan pembuangan. Tutup dilepas di bawah gerbang untuk menjaga saluran tetap terkontrol.
n⁺ lapisan donor/penghalang celah pita lebar
Memasok elektron yang mengisi 2DEG dan membantu menangani medan listrik tinggi.
Lapisan spacer yang tidak terkendali
Memisahkan donor dari 2DEG sehingga elektron melihat lebih sedikit tabrakan dan dapat bergerak lebih mudah.
Saluran/buffer celah pita sempit yang tidak dioperasikan
Memegang 2DEG dan membiarkan arus mengalir dengan cepat pada frekuensi tinggi dan medan tinggi.
Substrat (Si, SiC, safir, GaAs, atau InP)
Mendukung seluruh struktur dan dipilih untuk penanganan panas, biaya, dan pencocokan material; GaN-on-Si dan GaN-on-SiC umum dalam daya dan RF HEMT.
Pilihan Bahan untuk HEMT dan FET HEM
| Sistem material | Kekuatan utama | Rentang frekuensi khas |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Kebisingan rendah, stabil, dan berkembang dengan baik | Microwave ke mmWave rendah |
| InAlAs / InGaAs di InP | Kecepatan sangat tinggi, kebisingan sangat rendah | mmWave dan lebih tinggi |
| AlGaN / GaN pada SiC atau Si | Kekuatan tegangan tinggi, daya tinggi, siap panas | RF, microwave, pengalihan daya |
| Si / SiGe | Bekerja dengan CMOS, mobilitas lebih baik daripada silikon | RF dan digital berkecepatan tinggi |
Struktur pHEMT dan mHEMT dalam FET HEMT dan HEM
| Tipe | Pendekatan kisi | Manfaat utama | Batas/pengorbanan umum |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Menggunakan saluran yang sangat tipis dan tegang yang disimpan di bawah ketebalan kritis agar sesuai dengan substrat | Mobilitas elektron tinggi, cacat rendah, kinerja stabil | Ketebalan saluran terbatas; regangan yang disimpan harus dikelola |
| mHEMT | Menggunakan buffer "metamorf" bergradasi yang perlahan-lahan mengubah konstanta kisi | Memungkinkan kandungan indium tinggi dan kecepatan sangat tinggi (fT tinggi) | Buffer yang lebih kompleks, risiko cacat kristal lebih tinggi |
Mode Peningkatan dan Penipisan di FET HEMT dan HEM
HEMT mode penipisan (dHEMT, biasanya aktif)
• Sering ditemukan dalam struktur AlGaN/GaN di mana 2DEG terbentuk dengan sendirinya.
• Perangkat berkonduksi pada VGS = 0V; Gerbang negatiftage diperlukan untuk mematikan saluran.
• Dapat mencapai tingkat daya yang sangat tinggi dan tegangan tembus yang tinggi tetapi membutuhkan perawatan ekstra untuk membuat sistem aman dari kegagalan.
HEMT mode peningkatan (eHEMT, biasanya mati)
• Dibangun sehingga saluran mati pada VGS = 0V.
• Metode termasuk ceruk gerbang, gerbang p-GaN, atau perawatan fluor untuk menggeser ambang batas ke nilai positif.
• Bertindak lebih seperti MOSFET, yang dapat membuat sirkuit daya dan otomotif lebih mudah dilindungi dan dikendalikan.
Peran RF dan Gelombang Milimeter HEMT dan FET HEM
Dalam sirkuit RF dan gelombang milimeter, HEMT dan FET HEM banyak digunakan karena dapat beralih dengan sangat cepat dan hanya menambahkan sedikit noise ke sinyal. Strukturnya memberi mereka gain tinggi dan memungkinkan mereka bekerja pada frekuensi di mana banyak perangkat silikon mulai berjuang.
Dalam sistem ini, HEMT sering berfungsi sebagai amplifier kebisingan rendah yang meningkatkan sinyal lemah dengan noise tambahan minimal, dan sebagai penguat daya yang menggerakkan sinyal yang lebih kuat pada frekuensi tinggi. Teknologi HEMT canggih dapat mempertahankan penguatan yang berguna hingga ke rentang gelombang milimeter, sehingga mereka melihat penggunaan luas dalam komunikasi frekuensi sangat tinggi dan sirkuit penginderaan.
GaN HEMTs dan HEM FET dalam Konversi Daya
GaN HEMT dan HEM FET sekarang digunakan sebagai sakelar utama dalam konverter daya frekuensi tinggi efisiensi tinggi dalam kisaran 100–650 V. Mereka memiliki kehilangan switching yang jauh lebih rendah daripada banyak MOSFET silikon, sehingga mereka dapat berjalan pada ratusan kilohertz atau bahkan ke kisaran megahertz sambil tetap efisien.
Perangkat ini juga menawarkan resistansi aktif rendah dan muatan rendah, yang membantu mengurangi kerugian konduksi dan switching. Medan listriknya yang kuat dan penanganan suhu yang baik mendukung magnet yang lebih kecil dan tahap daya yang lebih kompak. Untuk mendapatkan manfaat ini dengan aman, penggerak gerbang, tata letak PCB, dan kontrol EMI harus direncanakan dengan cermat sehingga tepi tegangan cepat dan dering tetap terkendali.
Pertumbuhan Epitaxial untuk HEMT dan FET HEM
MBE (Epitaxy Berkas Molekuler)
• Menggunakan vakum ultra-tinggi dan kontrol pertumbuhan yang sangat tepat.
• Umum dalam penelitian dan HEMT bervolume rendah dan berkinerja sangat tinggi.
MOCVD (CVD Logam-Organik)
• Mendukung throughput wafer yang tinggi.
• Digunakan untuk GaN komersial dan GaAs HEMT, menyeimbangkan kinerja dan biaya produksi.
Keandalan dan Perilaku Dinamis dalam FET HEMT dan HEM
HEMT dan FET HEM berbasis GaN dapat mengalami masalah keandalan saat beralih pada tegangan tinggi dan daya tinggi. Perangkap di penyangga, permukaan, atau antarmuka dapat menangkap muatan selama peralihan, yang meningkatkan resistansi aktif dinamis dan memotong arus, yang menyebabkan keruntuhan arus dibandingkan dengan operasi DC.
Medan listrik yang kuat dan suhu tinggi di dekat gerbang dapat menambah tekanan ekstra. Seiring waktu, peralihan berulang, panas, kelembaban, atau radiasi perlahan-lahan dapat mengubah nilai seperti tegangan ambang batas dan kebocoran, sehingga desain termal dan perlindungan yang baik mendukung stabilitas jangka panjang.
Kesimpulan
Perilaku HEMT dan HEM FET berasal dari saluran 2DEG, sistem material yang dipilih, dan struktur pHEMT atau mHEMT, dibentuk oleh desain mode peningkatan atau penipisan. Bersama dengan pertumbuhan MBE atau MOCVD, jebakan, ketahanan dinamis, dan batas termal menentukan kinerja nyata. Model RF dan daya yang akurat ditambah pilihan PCB dan kemasan yang cermat menjaga operasi tetap stabil.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Berapa tegangan penggerbang gerbang yang dibutuhkan HEMT GaN?
Sebagian besar GaN HEMT mode peningkatan menggunakan penggerak gerbang sekitar 0–6 V.
Apakah HEMT membutuhkan driver gerbang khusus?
Iya. Mereka membutuhkan driver gerbang induktansi rendah yang cepat, seringkali IC driver GaN khusus.
Paket mana yang umum untuk HEMT dan HEM FET?
RF HEMT menggunakan keramik RF atau paket pemasangan permukaan. HEMT GaN Daya menggunakan QFN/DFN, LGA, paket daya induktansi rendah, atau beberapa paket gaya TO.
Bagaimana suhu mempengaruhi kinerja HEMT?
Suhu yang lebih tinggi meningkatkan resistansi aktif, mengurangi arus, menurunkan penguatan RF, dan meningkatkan kebocoran.
Bagaimana HEMT diuji pada konverter daya?
Mereka diperiksa dengan uji pulsa ganda untuk mengukur energi switching, overshoot, dering, dan RDS (on).
Langkah-langkah keamanan apa yang penting untuk HEMT GaN tegangan tinggi?
Gunakan isolasi yang diperkuat, sekering atau pemutus yang tepat, perlindungan lonjakan arus, creepage dan jarak bebas yang benar, dv/dt terkontrol, dan penggerak gerbang yang dilindungi.
