مقاله آنالیز ساختار داخلی ترانزیستور HEMT

بخشی از مقاله

چکیده : نوعی ترانزیستور اثر میدانی و یا اصطلاحا همان1FETاست که طوری طراحی شده که در فرکانس های مایکروویو کارآیی بالایی داشتهباشد. از خصوصیات ویژه این ترانزیستور ضریب نویز کم در فرکانس های بالا و مایکروویو است. در فرکانس های بالا و نوسان کننده های مایکروویو عملکرد بسیار مطلوبی دارد و میزان نویز پذیری آن در این مدارات بسیار پایین است. مکانیسم کوانتومی این ترانزیستور مبتنی بر نوع مواد سازنده آن است که دو نوع از ترانزیستور HEMT را می توان با آن ساخت. مواد سازنده این ترانزیستور از قبیل : گالیوم- آرسنیک- ایندیوم- فسفات- نیترات-آلومنیوم می باشد. دو نوع ترانزیستورpHEMT و mHEMT را داریم و می توان با آنها مدارات فرکانس بالا را با نویز کم و توان بالا طراحی وشبیه سازی کنیم.
کلید واژه : فرکانس مایکروویو ، اپیتکسی ، گاف انرژی ، هتروجاکشن ، باند گپ

مقدمه
یکی از انواع ترانزیستورهای اثر میدانی که امروزه به عنوان یکی از اعضای جداییناپذیر الکترونیک به شمار میرود ترانزیستورهای با تحرک الکترون بالا 1HEMT میباشد. ترانزیستورهای HEMT قادرند تا در فرکانسهای بالاتر از ترانزیستورهای معمولی و تا فرکانسهای موج میلیمتری کار کنند. ایدهء مشخصی که این ترانزیستور بتواند بعنوان یک نوسان کنندهء موج حامل مایکروویو بکار رود اولین بار در سالهای 1969 بررسی شد اما تا سال 1980 ترانزیستوری که بتواند این کار را بکند هنوز به بازار نیامده بود . در این سال بود که اولین نوع آن برای تست کردن آماده شد و در سالهای 1980 تست روی آن شروع گردید اما بخاطر بهای بالای آن المانی با کاربرد کم تصور میشد. اکنون که بهای آن تا حدی کاهش یافته است کاربرد آن در حال گسترش است و حتی در صنعت تلفن های همراه مورد استفاده قرار می گیرد. HEMT ها امروزه در فرکانسهای بالاتر از 600 گیگاهرتز مورد استفاده قرار گرفته اند؛ همچنین سعی بر آن است که در سالهای آینده در فرکانس های یک ترا نیز بکار گرفته شود.

شرح
ترانزیستورهای HEMT نوعی از ترانزیستورهای اثر میدانی میباشند که از ترکیب دو نیمههادی با گاف انرژی متفاوت به وجود میآید . در این ترانزیستورها از مواد ترکیبی مانند GaAs و AlGaAs با گافهای انرژی متفاوت (بسته به کاربرد) استفاده میگردد.
این ترانزیستور با موبیلیتی الکترون زیاد دارای ساختار چند لایه از نیمههادیهای مرکب هستند. در این ترانزیستورها اتمهای ناخالصی دریک نیمه هادی با نوار ممنوعه بزرگ تزریق میشوندکه نقش عایق گیت را دارد . کانال این ترانزیستور یک نیمه هادی با نوار ممنوعه کوچکتر است که الکترونها از نیمه هادی با نوار ممنوعه بزرگتر به این کانال وارد می شوند و یک لایه گاز الکترون دوبعدی را تشکیل می دهند . به دلیل عدم وجود ناخالصی، موبیلیتی الکترون درکانال ترانزیستور زیاد است. موبیلیتی زیاد و ابعاد کوچک باعث می شود ترانزیستورهایی با فرکانس قطع چند صد گیگا هرتز ساخته شود. نمودار میزان جریان درین نسبت به ولتاژ درین- سورس در زمانی که ولتاژ گیت در حالت تغییر از حالت خاموش تا ناحیهی اشباع است را مشاهده می کنیم. آنچه در شکل 1-1 به عنوان مشخصهی جریان ولتاژ ترانزیستور نشان داده شده است در شرایطی میباشد که مقدار اولیه برای ولتاژ سورس و درین0 ولت و برای گیت -5 ولت می باشد و همچنین ولتاژ سورس در این مقدار ثابت نگه داشته شده است . ولتاژ مربوط به درین از مقدار 0 ولت تا مقدار 7 ولت تغییر داده شده است. همچنین ولتاژ گیت از مقدار -5 ولت تا مقدار 1 ولت تغییر کرده است. در شکل دیده میشود که مقدار جریان در نبود ولتاژ در گیت بسیار ناچیز میباشد؛ در واقع جریان درین و سورس توسط ولتاژ اعمالی به گیت کنترل میشود. با اعمال ولتاژ 1 ولت در گیت ترانزیستور و با افزایش ولتاژ درین سورس مقدار جریان بطور خطی افزایش می یابد تا در نهایت به یک مقدار اشباع برسد. این مقدار اشباع به مقدار ns بستگی دارد.

شکل 1-1 نمودار جریان درین برحسب ولتاژ درین-سورس

نمودار HEMT تا حدودی شبیه به ترانزیستورهای MOSFET میباشد. در این ترانزیستور با اعمال ولتاژ تحریکی به گیت، باعث شارژ در ناحیهی گاز الکترونی می گردد. مقدار ns در معادلهی زیر نشان داده شده است.

معادله 1-2 ، ثابتگذردهیالکتریکیوdiطولبندگپدرنیمههادیو تاثیرلایه یگازالکترونیمیباشد . برایساختارنرمالاز درحدود 103میباشد. پارامترمهمدیگرمیزانVTمیباشد.

درفرمول 2-1 ، برایمدلاختلافسطحباندرسانشدردونیمههادیمیباشد. برایترانزیستورباداشتنگیتبزرگتراز 0/25 میکرونمیتوانازمعادلهجریانی (3-1) ترانزیستورMOSاستفادهنمود.

برایبدستآوردنمقدارgmبایدبهبررسیتغییراتجریاندریننسبتبهولتاژگیتبهپردازیم. باتوجهبهفرمول 3-1 ودرنظرگرفتنولتاژدرینبهصورتثابتبهمعادلهی 4-1 میرسیم.

پارامترهایعملیاتی :
در این بخش به معرفی کلی ادواتی که در آنها لایه ی گاز الکترونی ایجاد میشود پرداخته و دیاگرام انرژی در ترانزیستور HEMT را بررسی میکنیم. اساس ترانزیستورهای HEMT مانند ترانزیستورهای MESFET میباشد. لایه ی گاز الکترونی تنها در قطعات ناهمگونی امکانپذیر است که در آنها نقص کمتر و موبیلیتی بالا امکانپذیر باشد.
رسانندگی در کانال از رابطهی 5-1 قابل محاسبه میباشد که در آن مقدار ns از رابطهی 1-1 بدست میآید.

یکی از ویژگیهای مشخص در این قطعات تغییر ناگهانی باند گپ در گذر از AlGaAs به GaAs میباشد . اثرپیزوالکتریک در محل تلاقی باعـث ایجـاد لایه ی گاز الکترونی دو بعدی میشود. در شکل 2-1 دیاگرام انرژی مبتنی بر GaN/AlGaN نشان داده شده است.
در تحلیل ترانزیستورهای HEMT میتوان تا حد زیادی از روابط حاکم بر MESFET استفاده نمود .آنچه که این قطعات را متمایز میسازد قابلیت ایجاد یک لایه ی الکترونی گازی به عنوان کانال میباشد. اما یکی از معضلات این ادوات وجود اثرات خود گرمایی می باشد که باعث ایجاد شیب منفی در مشخصه ولتاژ جریان است. البته کاهش اثرات خودگرمایی یکی از موضوعات تحقیقی و پژوهشی است که محققان زیادی برای بهبود آن تلاش میکنند. از جمله روشهای پیشنهاد شده استفاده از موادی با رسانش گرمایی بالاتر از جمله SiC و یا Diamond به عنوان زیرلایه و استفاده از لایه Si3N4 و الماس به عنوان لایه منفعل ساز و استفاده از نانوکریستالها به عنوان لایه پخش کننده گرما و همچنین توزیع گیت برای ترانزیستور اشاره نمود.

شکل 2-1 دیاگرام انرژی HEM مبتنی بر GaN/AlGaN

همانطور که در جدول 1-1 دیده میشود GaN یک نیمه هادی با گاف انرژی زیاد است که میدان شکست بحرانی آن زیاد میباشد و نیز سرعت اشباع رانشی بالای دارد، و همچنین هدایت گرمایی خوب نسبت به GaAs و InP برخوردار است. با ارزیابی این سه ماده نیمه هادی میتوان یک ساختار بهینه با کاربردهای سوئیچینگ در فرکانس بالا و کارهای کنترلی انتخاب کرد. باتوجه به جدول، GaN دارای بیشترین گاف انرژی- حداکثر سرعت اشباع- ماکزیموم میدان شکست و بیشترین هدایت گرمایی را دارا می باشد؛ ولی دارای ثابت دی الکتریک کمتر نسبت به بقیه مواد است. هدایت گرمایی بسیار بالای GaN سبب میشود که انتقال گرما بهتر صورت بپذیرد و در نتیجه اثر خودگرمایی کاهش پیدا کرده و مشخصه ترانزیستور بهبود می یابد. این ویژگی بهمراه میدان شکست بالا سبب میشود که ترانزیستورهای بر پایهی GaN برای کاربردهای توان بالا در محیط هایی که حداکثر ولتاژ - جریان و حرارت بالا است مورد استفاده قرار گیرند.
موبلیتی GaN از InP و GaAs کمتر است و این موضوع سبب میشود که هدایت الکتریکی کمتر شود ولی در عوض جریان نشتی کاهش مییابد. این موضوع در کاهش اتلاف توان اهمیت ویژهای دارد. اما موبلیتی کمتر سبب میشود فرکانس کاری کاهش پیدا کند که این امر باعث می شود در فرکانسهای بالاتر از InP و GaAs استفاده شود.

در فرکانس یک گیگاهرتز ، طول گیت 200 میکرومتر ، با تمرکز ناخالصی 6 * 10 18 اتم بر سانتیمتر مکعب برای AlGaAs ، InGaN یا AlGaAs و همچنین با تمرکز ناخالصی 1013 اتم بر سانتیمتر مکعب برای GaAs ، InP یا GaN و شرایط یکسان دیگر با هم مقایسه میشوند.
جدول 1-1 مواد سازنده ترانزیستور از لحاظ خواص الکتریکی
اثرات دما :
در شکل 3-1 نمودار فرکانس بر حسب دما برای دو تکنولوژی GaN و GaAs رسم شده است که نشان دهندهی این مطلب است که در تکنولوژی GaN وابستگی تغییرات فرکانس در مقابل تغییرات دما کمتر از تکنولوژی GaAs است. اما در دماهای کمتر، فرکانس GaAs بسیار بیشتر از GaN است.