HEMT – Transistor de Alta Mobilidade de Elétrons
O HEMT ou Transistor de Alta Mobilidade Eletrônica é usado para aplicações de micro-ondas de alta frequência muito precisas, onde o desempenho é essencial.
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Nosso tutoral de FETs, Transistores de Efeito de Campo, inclui:
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O nome HEMT significa High Electron Mobility Transistor. O dispositivo é uma forma de transistor de efeito de campo, FET, que utiliza uma propriedade incomum de um canal muito estreito, permitindo que ele opere em frequências extremamente altas.
Além do desempenho de frequência muito alta, o HEMT também oferece um desempenho de baixo ruído muito atraente.
Essencialmente, o dispositivo é um transistor de efeito de campo que incorpora uma junção entre dois materiais com diferentes intervalos de banda (isto é, uma heterojunção) como canal, em vez de uma região dopada que é usada no MOSFET padrão.
Como resultado de sua estrutura, o HEMT também pode ser referido como FET de heterojunção, HFET ou FET dopado por modulação, MODFET em algumas ocasiões.
Desenvolvimento HEMT
Embora o HEMT seja basicamente uma forma de transistor de efeito de campo, ele utiliza um modo incomum de movimento de elétrons.
Este modo de transporte de transporte foi investigado pela primeira vez em 1969, mas não foi até 1980 que os primeiros dispositivos experimentais estavam disponíveis para investigação e uso inicial.
Durante a década de 1980 começaram a ser utilizados, mas devido ao seu custo inicial muito elevado o seu uso era muito limitado.
Agora, com seu custo um pouco menor, eles são mais amplamente utilizados, encontrando até mesmo usos nas telecomunicações móveis, bem como em uma variedade de links de comunicação de rádio de micro-ondas e em muitas outras aplicações de design de RF.
Estrutura e fabricação HEMT
O elemento-chave dentro de um HEMT é a junção PN especializada que ele usa. É conhecido como uma hetero-junção e consiste em uma junção que usa materiais diferentes de cada lado da junção. Os materiais mais comuns são arseneto de gálio e alumínio (AlGaAs) e arseneto de gálio (GaAs).
O arsenieto de gálio é geralmente usado porque fornece um alto nível de mobilidade básica de elétrons, que é crucial para a operação do dispositivo. O silício não é usado porque tem um nível muito menor de mobilidade de elétrons.
Existe uma variedade de estruturas diferentes que podem ser usadas dentro de um HEMT, mas todas usam basicamente os mesmos processos de fabricação.
Na fabricação de um HEMT, primeiro uma camada intrínseca de arseneto de gálio é colocada na camada semi-isolante de arseneto de gálio. Isso tem apenas cerca de um mícron de espessura.
Em seguida, uma camada muito fina (entre 30 e 60 Angstroms) de arsenieto de gálio e alumínio intrínseco é colocada sobre ela. Sua finalidade é garantir a separação da interface da heterojunção da região dopada de arsenieto de gálio e alumínio. Isso é crítico se a alta mobilidade de elétrons for alcançada.
A camada dopada de arseneto de gálio e alumínio com cerca de 500 Angstroms de espessura é colocada acima disso. É necessário um controle preciso da espessura desta camada e são necessárias técnicas especiais para o controle desta.
Existem duas estruturas principais que são usadas. Estas são a estrutura implantada de íons auto-alinhados e a estrutura do portão de recesso. No caso da estrutura implantada de íons auto-alinhados, o gate, o dreno e a fonte são colocados e são geralmente contatos metálicos, embora os contatos de fonte e dreno possam às vezes ser feitos de germânio. O portão é geralmente feito de titânio e forma uma minúscula junção polarizada reversa semelhante à do GaAsFET.
Para a estrutura do portão do recesso, outra camada de arsenieto de gálio tipo n é colocada para permitir que os contatos do dreno e da fonte sejam feitos. As áreas são gravadas conforme mostrado no diagrama. A espessura sob o portão também é muito crítica, pois a tensão limite do FET é determinada por isso. O tamanho do portão e, portanto, o canal é muito pequeno. Normalmente, o portão é de apenas 0,25 mícrons ou menos, permitindo que o dispositivo tenha um desempenho de alta frequência muito bom.
Operação HEMT
A operação do HEMT é um pouco diferente de outros tipos de FET.
Os elétrons da região do tipo n se movem através da rede cristalina e muitos permanecem próximos à heterojunção. Esses elétrons formam uma camada com apenas um elétron de espessura, formando o que é conhecido como gás de elétrons bidimensional. Dentro desta região, os elétrons são capazes de se mover livremente porque não há outros elétrons doadores ou outros itens com os quais os elétrons irão colidir e a mobilidade dos elétrons no gás é muito alta.
Uma polarização aplicada ao portão formado como um diodo de barreira Schottky é usada para modular o número de elétrons no canal formado a partir do gás de elétrons 2D e, por sua vez, controla a condutividade do dispositivo. Isso pode ser comparado aos tipos mais tradicionais de FET, onde a largura do canal é alterada pela polarização do portão.
Existem várias vantagens em usar dispositivos HEMT:
- Alto ganho: os HEMTs têm um alto ganho em frequências de micro-ondas porque os portadores de carga são quase exclusivamente os portadores majoritários e os portadores minoritários não estão significativamente envolvidos.
- Baixo ruído: HEMTs fornecem operação com ruído muito baixo porque a variação de corrente nos dispositivos é baixa quando comparada a outros dispositivos de efeito de campo.
Aplicações
O HEMT foi originalmente desenvolvido para aplicações de alta velocidade. Foi somente quando os primeiros dispositivos foram fabricados que se descobriu que eles exibiam uma figura de ruído muito baixa. Isso está relacionado à natureza do gás de elétrons bidimensional e ao fato de que há menos colisões de elétrons.
Como resultado de seu desempenho de ruído, eles são amplamente utilizados em pequenos amplificadores de sinal de baixo ruído, amplificadores de potência, osciladores e misturadores operando em frequências de até 60 GHz e mais e prevê-se que, em última análise, os dispositivos estarão amplamente disponíveis para frequências de até cerca de 100 GHz. Na verdade, os dispositivos HEMT são usados em uma ampla gama de aplicações de design de RF, incluindo telecomunicações celulares, receptores de transmissão direta – DBS, radar, radioastronomia e qualquer aplicativo de design de RF que exija uma combinação de baixo ruído e desempenho de frequência muito alta
Os HEMTs são fabricados por muitos fabricantes de dispositivos semicondutores em todo o mundo. Eles podem estar na forma de transistores discretos, mas hoje em dia são mais comumente incorporados a circuitos integrados. Esses chips de circuito integrado de micro-ondas monolíticos, ou MMICs, são amplamente usados para aplicações de projeto de RF, e os MMICs baseados em HEMT são amplamente usados para fornecer o nível de desempenho necessário em muitas áreas.
Outros dispositivos baseados em HEMT
Existem várias variantes do dispositivo HEMT básico. Esses outros dispositivos fornecem desempenho adicional em algumas áreas.
- pHEMT: O PHEMTs ganha esse nome por ser um transistor pseudomórfico de alta mobilidade eletrônica. Esses dispositivos são amplamente utilizados em comunicações sem fio e aplicações LNA.
Os transistores PHEMT oferecem uma eficiência de alta potência combinada com excelentes valores de baixo ruído e desempenho. Como resultado, os PHEMTs são amplamente utilizados em sistemas de comunicação por satélite de todas as formas, incluindo transmissão direta de televisão por satélite, DBS-TV, onde são usados em caixas de baixo ruído, LNBs usados com as antenas de satélite. Eles também são usados em sistemas gerais de comunicação por satélite, bem como em sistemas de comunicação de rádio por radar e microondas. A tecnologia PHEMT também é usada em tecnologia IC analógica e digital de alta velocidade, onde é necessária uma velocidade extremamente alta. - mHEMT: O mHEMT ou HEMT metamórfico é um desenvolvimento adicional do pHEMT. A camada tampão é feita de AlInAs, com a concentração de índio graduada para que possa corresponder à constante de rede do substrato GaInAs e do canal GaInAs. Isso traz a vantagem de que praticamente qualquer concentração de índio no canal pode ser utilizada, de modo que os dispositivos podem ser otimizados para diferentes aplicações. Verificou-se que uma baixa concentração de índio fornece melhor desempenho de baixo ruído, enquanto uma alta concentração de índio fornece mais ganho.
Essas variantes HEMT são menos conhecidas, mas capazes de fornecer algumas características necessárias em algumas aplicações de nicho.
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