Transistores de Efeito de Campo GaN (nitreto de gálio) e HEMTs: o que são e como funcionam
O nitreto de gálio é um material semicondutor que está sendo usado cada vez mais para fornecer melhor desempenho, especialmente em alta velocidade e RF FETs e HEMTs.
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Nosso tutoral de FETs, Transistores de Efeito de Campo, inclui:
Noções básicas de FET | Especificações de FET | JFET | MOSFET | MOSFET de duplo portão | Power MOSFET | MESFET / GaAs FET | HEMT & PHEMT | Tecnologia FinFET | IGBT | MOSFET de carbeto de silício, SiC | GaN FET / HEMT
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Nitreto de gálio, GaN FETs ou transistores GaN estão sendo usados cada vez mais em muitos módulos e dispositivos de potência, bem como em projetos de circuitos de potência de RF. Freqüentemente, os termos GaN HEMT e GaN transistor são usados de forma intercambiável.
A alta mobilidade eletrônica do nitreto de gálio, GaN, permite a fabricação de dispositivos semicondutores que possuem um baixo valor de resistência ON combinado com uma capacidade de frequência de comutação muito alta.
Foto cedida por PRFI Ltd
Esses benefícios significam que GaN FETs estão sendo usados em muitos novos projetos de circuitos eletrônicos para tudo, desde sistemas de energia, para veículos elétricos e aplicações de energia renovável até amplificadores de potência de RF, outros circuitos de design de RF e similares.
GaN FETs usam a interface entre dois materiais semicondutores para produzir uma região muito fina conhecida como 2DEG (veja abaixo para uma explicação) para fornecer níveis muito altos de mobilidade eletrônica que resultam na formação de GaN HEMTs ou transistor de alta mobilidade eletrônica.
Freqüentemente, a tecnologia de transistor GaN é usada para fabricar ICs de micro-ondas monolíticos, MMICs, que fornecem altos níveis de desempenho em frequências de micro-ondas.
O que é nitreto de gálio
Nitreto de gálio é um material semicondutor composto usando materiais dos grupos III e V na tabela periódica dos elementos.
Fisicamente, o material é muito duro e tem um fator de dureza Knoop de 14,21 GPa e GaN tem alguns outros atributos físicos interessantes, mas são as propriedades elétricas que interessam aqui.
O nitreto de gálio tem um amplo bandgap de 3,5 eV, que é muito semelhante ao do carboneto de silício e isso o torna muito adequado como semicondutor para vários dispositivos.
GaN tem algumas propriedades muito úteis que o tornam ideal para uma série de aplicações de energia. Ele pode tolerar uma alta tensão operacional, lidar com altos níveis de energia e operar em altas frequências, tornando-o ideal para muitas aplicações de RF, desde comunicações móveis, 5G, 6G, etc., até comunicações aeroespaciais e via satélite.
Nota sobre nitreto de gálio:
O nitreto de gálio é um material semicondutor que é fisicamente muito duro, mas também atua como um semicondutor que possui uma ampla banda proibida e permite que altos níveis de potência sejam usados em altas frequências quando usados em dispositivos semicondutores.
Leia mais sobre Nitreto de Gálio, GaN.
Para a fabricação dos próprios componentes eletrônicos de GaN, o nitreto de gálio precisa ser formado no que geralmente é chamado de pseudo-substrato – não é possível fazer um substrato do próprio GaN por razões químicas.
Normalmente GaN é depositado em silício ou carboneto de silício para dar GaN em silício, muitas vezes referido como Gan em Si ou GaN em carboneto de silício referido como GaN em SiC.
GaN em dispositivos de silício são mais baratos que os de GaN em carboneto de silício, mas o GaN em SiC oferece várias vantagens:
- GaN em SiC tem maior condutividade térmica: devido à maior condutividade térmica do carboneto de silício, o GaN geral em SiC tem uma condutividade térmica mais alta, normalmente três vezes maior do que o GaN em silício. Isso significa que o GaN em dispositivos SiC tem maior eficiência, maior confiabilidade e maior densidade de potência quando comparado ao GaN em dispositivos de silício da mesma geometria.
- Carbeto de silício tem menor permissividade relativa: A baixa permissividade relativa do carboneto de silício significa que GaN em dispositivos SiC pode ter uma largura de banda maior do que GaN em dispositivos de silício.
Outra possibilidade de substrato é o diamante sintético. Isso oferece um alto nível de condutividade térmica, mas o custo é muito maior do que o GaN no silício e o GaN no SiC.
O que é 2DEG
Existem muitos sites e artigos informativos sobre HEMTs que se referem a 2DEG sem uma explicação do que é.
Em essência, 2DEG significa gás de elétrons bidimensional e é um conceito central por trás da tecnologia HEMT.
O conceito básico por trás disso é explicado abaixo.
Conceito GaN HEMT
GaN FETs ou transistores GaN são essencialmente transistores de alta mobilidade eletrônica ou HEMTs. O conceito do HEMT é conhecido há muitos anos e tem sido empregado em outras tecnologias FET.
A estrutura química do nitreto de gálio é chamada de estrutura “Wurtzita”. É essa estrutura que é a chave para a operação HEMT dos transistores GaN.
A estrutura wurtzita do cristal de GaN confere ao material um efeito piezoelétrico. Isso é predominantemente alcançado por causa de elementos carregados dentro da rede cristalina. Se a estrutura for submetida a tensão, a deformação causará um deslocamento muito pequeno nos átomos da rede que geram um campo elétrico: quanto maior o nível de tensão, maior é o campo elétrico criado.
Quando a camada de nitreto de gálio e alumínio, AlGaN, é cultivada no topo do cristal de nitreto de gálio, GaN, a interface entre as duas redes cristalinas não coincide completamente e, portanto, uma deformação é configurada.
A tensão induz um gás de elétrons bidimensional, 2DEG. Este gás de elétrons bidimensional é altamente condutor porque os elétrons estão confinados dentro de uma região muito pequena na interface. Isso praticamente dobra a mobilidade do elétron de cerca de 1000 cm 2 /V ˙ s no GaN normal para entre 1500 e 2000 cm 2 /V ˙ s na região de 2DEG. Essa alta concentração e mobilidade de elétrons é a base dos HEMTs e, neste caso, do GaN HEMT.
Verificou-se que a qualidade de 2DEG tem um impacto significativo no transporte eletrônico ao longo da interface e, portanto, nas propriedades dos dispositivos finais.
O fluxo de elétrons através da região bidimensional – efetivamente o canal – é controlado pelo potencial de porta da maneira normal para um FET.
Estrutura e operação do transistor GaN
Todos os GaN FETs ou HEMTs empregam a mesma tecnologia básica e utilizam a estrutura HEMT com sua região de gás de elétrons bidimensional, fornecendo o modo de operação fundamental para o dispositivo.
GaN HEMTs estão disponíveis em variedades de modo de depleção e modo de aprimoramento.
- Modo de depleção: Um transistor GaN de modo de depleção está normalmente ligado; e para desligá-lo, uma tensão negativa em relação aos eletrodos dreno e fonte deve ser aplicada ao portão.
- Modo de aprimoramento: o modo de aprimoramento ou os FETs de modo eletrônico são aqueles que normalmente estão desativados. Eles são ativados aplicando uma tensão positiva ao portão em relação ao dreno e à fonte.
Naturalmente, as estruturas dos FETs reais são ligeiramente diferentes para ambos os tipos. Além disso, existem várias abordagens adotadas por diferentes fabricantes desses componentes eletrônicos, mas os princípios básicos de operação são exatamente os mesmos.
Transistor GaN de modo de depleção
A estrutura básica para um modo de depleção GaN HEMT consiste em três eletrodos, fonte, dreno e porta, como normalmente seria esperado para um transistor de efeito de campo.
A fonte e o dreno são fabricados para que não fiquem na camada de AlGaN, mas em vez disso, eles entram em contato diretamente com a região de GaN e, portanto, o 2DEG.
Como este é um HEMT em modo de depleção, isso cria um curto-circuito entre o dreno e a fonte.
Para reduzir o fluxo de elétrons através do 2DEG, um potencial negativo é aplicado ao portão em relação ao dreno e à fonte, isso esgota o canal de elétrons, reduzindo assim a condutividade do canal.
Existem várias maneiras de fabricar esses dispositivos. É possível criar um eletrodo de porta Schottky depositando uma camada de metal diretamente sobre o AlGaN usando detalhes como níquel-ouro ou platina. Foi criada uma barreira Schottky que permitia controlar a condutividade do canal.
Os HEMTs GaN de modo de deleção também foram fabricados usando uma camada isolante e, em seguida, depositando um portão de metal sobre ela. Essa abordagem tem muitas semelhanças com a tecnologia MOSFET de silício.
Embora os transistores de modo de depleção sejam aplicáveis em muitos projetos de circuitos eletrônicos, eles tendem a não ser usados para sistemas de energia porque não é aconselhável ter a grande fonte de corrente geralmente disponível em sistemas de energia, com um dispositivo que está em curto-circuito quando ligado.
Transistor GaN de modo de aprimoramento
Existem vários métodos que foram usados para criar transistores GaN de modo de aprimoramento. Normalmente, eles são um pouco mais complicados de fabricar, mas tendem a ser amplamente usados.
Existem cinco estruturas principais que são usadas para GaN FETs de modo de aprimoramento. São eles: híbrido cascode, híbrido de acionamento direto, portão implantado, portão pGaN e portão rebaixado.
Algumas das principais técnicas de estrutura são descritas abaixo:
- Gate implantado: Um método para criar um modo de aprimoramento GaN FET é implantar átomos de flúor na camada de barreira AlGaN na região do portão. Os átomos de flúor criam uma carga negativa na camada AlGaN e isso esgota os elétrons do plano 2DEG nesta região.
Conceito de estrutura básica para um modo aprimorado de portão implantado GaN HEMTA porta Schottky no topo desta região fornece controle porque quando uma polarização positiva é aplicada, os elétrons serão atraídos de volta para o plano 2DEG nesta região e a corrente fluirá. no canal. - Estrutura de porta rebaixada: A estrutura de porta rebaixada é criada afinando a região da barreira AlGaN acima do plano 2DEG. Isso reduz a tensão gerada pelo efeito piezoelétrico nessa região. Chega-se a um ponto em que a tensão gerada pela tensão na estrutura cristalina é menor que a tensão interna da porta metálica Schottky e com polarização zero o plano 2DEG é eliminado aqui.
Se uma polarização positiva é colocada no portão, os elétrons são atraídos de volta para a interface entre os dois materiais semicondutores e a corrente pode fluir dependendo do nível de polarização.
Com a tecnologia de semicondutores GaN se desenvolvendo rapidamente devido às vantagens que ela traz para o projeto de RF e o projeto de uma série de projetos de energia, haverá mais desenvolvimentos nos próximos anos e novos formatos e estruturas para dispositivos.
Aplicações do transistor GaN
A tecnologia GaN HEMT ou transistor é usada em muitas áreas de projeto de circuitos eletrônicos e projeto de RF. Os parâmetros dos transistores GaN que são produzidos significam que eles são aplicáveis para muitas aplicações diferentes onde são necessárias alta potência, alta frequência ou alto desempenho ou qualquer combinação desses parâmetros.
- Sistemas de energia: Com tudo, desde fontes de alimentação comutadas, comutação de energia, veículos elétricos e similares que precisam de dispositivos de comutação de energia, o GaN HEMT se presta a muitas dessas aplicações. A comutação rápida e a baixa resistência de ativação desses dispositivos significam que os níveis de eficiência são altos. As altas tensões de ruptura também significam que a comutação de nível relativamente alto pode ser realizada.
- Amplificadores de potência de RF: A combinação de capacidade de alta potência e alta velocidade significa que a tecnologia GaN FET é um candidato ideal para amplificadores de potência de RF.A tecnologia GaN FET oferece muitas vantagens, desde alta confiabilidade e altos níveis de eficiência até a capacidade de operar em altas frequências. Como resultado, a tecnologia GaN é usada em muitos amplificadores de potência de RF para uma ampla variedade de aplicações, incluindo comunicações móveis onde é usada, particularmente em estações base para 5G, 6G, etc. Também é usada em aplicações de satélite onde sua alta confiabilidade e resiliência assim como os altos níveis de eficiência que podem ser devolvidos são de grande interesse.
- Comutadores GaN RF: Outra aplicação para GaN FETs é como comutadores RF. Existem muitas situações em que a comutação de RF é necessária e esses componentes eletrônicos fornecem o meio ideal de comutação do circuito de RF. Eles são capazes de lidar com níveis de potência muito mais altos do que os GaAsFETs, que também são usados em projetos de RF para comutação.Os GaN FETs são capazes de usar a mesma arquitetura básica de design de RF que os comutadores GaAsFET, mas com alterações nos valores de comentários eletrônicos etc. têm um alto nível de isolamento, excelente linearidade e podem lidar com níveis de energia muito mais altos do que os GaAsFETs.
- Amplificadores GaN de baixo ruído: A capacidade de alta frequência dos GaN FETs significa que eles são capazes não apenas de operar como um amplificador de potência, mas também no lado da recepção como um amplificador frontal de baixo ruído, LNA. Nessa função, esses componentes eletrônicos são capazes de ter um bom desempenho, oferecendo uma baixa figura de ruído, essencial nessa função dentro de um projeto de circuito de RF.No entanto, em vista de sua capacidade de alta potência e robustez geral, eles são capazes de tolerar altos níveis de potência de entrada, ao contrário dos GaAsFETs, que podem ser bastante suscetíveis a sobrecarga e ESD. Assim, GaN FETs estão começando a ser usados em instalações de radar como um dos muitos exemplos.Uma vantagem de sua alta tolerância a níveis de RF é que nem sempre é necessário um circulador. Como o circulador apresentará perda, isso pode reduzir a sensibilidade geral do receptor, bem como absorver parte da potência do transmissor.
- Misturadores de GaN: Os FETs de nitreto de gálio também estão encontrando uso em misturadores de RF de alto desempenho. Aqui, o alto nível de linearidade que esses componentes eletrônicos podem fornecer e sua resiliência a altos níveis de potência significam que eles estão substituindo os misturadores baseados em GaAsFET em muitos novos projetos de RF.
- MMIC: A tecnologia GaN FET também é usada em muitos ICs de micro-ondas monolíticos, MMICs. Com os MMICs precisando estender suas faixas de frequência em uma variedade de blocos de design de RF, a tecnologia GaN é ideal para uso em MMICs que fornecem uma variedade de funções de RF.
Existem muitas áreas nas quais a tecnologia GaN está sendo usada e, à medida que a tecnologia se desenvolve, sempre existe a possibilidade de componentes eletrônicos que usam a tecnologia GaN serem usados em outras áreas.
A tecnologia de nitreto de gálio está se tornando cada vez mais prevalente em muitas áreas de projeto de circuitos de potência e radiofrequência. Os dispositivos ainda custam mais do que alguns de seus equivalentes usando tecnologia mais antiga, mas os benefícios às vezes superam as penalidades de custo e, em muitos casos, resultam em um custo geral mais baixo do item. Conseqüentemente, GaN FETs ou GaN HEMTs estão sendo vistos em muitos projetos de RF, bem como em muitos novos projetos de circuitos para sistemas de energia.
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