بخشی از مقاله
چکیده:
ترانزیستور با موبیلیتی بالای الکترون که مخفف عبارت انگلیسی آن HEMT2 است نوعی ترانزیستور اثر میدانی و یا اصطلاحا همان fet3 است. این نوع ترانزیستور، بعنوان یک نوسان کنندهء موج حامل مایکروویو بکار می 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.
گالیم AlGaAs و آرسانید گالیم GaAs است. علت اینکه از آرسانید گالیم در دو طرف آن استفاده شده برای اینست که حرکت الکترون را در آن ارتقا دهند و این عمده ترین کار برای یک ترانزیستور در نوسان های بالاست. اکثر HEMTها از نوع کانال n هستند تا به قابلیت حرکت و در نتیجه سرعت بالاتر دست یابند. در این مقاله ترانزیستور با موبیلیتی بالای الکترون بررسی و شبیه سازی می شود. ابتدا مقدمه ای از طراحی این ترانزیستور بیان می شود که برای درک بهتر از عملکرد این نوع ترانزیستور، با استفاده از نرم افزار سیلواکو، شبیه سازی و منحنی مشخصات آن رسم می گردد.
-1 مقدمه:
ترانزیستور با موبیلیتی بالای الکترون که مخفف عبارت انگلیسی آن HEMT است نوعی ترانزیستور اثر میدانی و یا اصطلاحا همان fet است که طوری طراحی شده که در فرکانس های مایکروویو کارآیی بالایی داشته باشد . از خصوصیات ویژه این ترانزیستور ضریب نویز کم در فرکانس های مایکروویو است. یکی از خصوصیات نوسان کننده های مایکروویو این است که دارای نویز می باشند که باید آنرا در نوسان کننده های با ارتعاش بالا حل کرد تا از کیفیت نوسان اصلی نکاهد.[1] بوجود آوردن این ترانزیستور سال های زیادی طول کشید و چندین سال بعد که ترانزیستور های معمولی fet به بازار امد هنوز این ترانزیستور وجود نداشت.
این ایده که ترانزیستور بعنوان یک نوسان کننده 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.[2] 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.
-2 ترانزیستورهای اثر میدانی:AlGaN/GaN HEMT
تعداد زیادی از اکترون های ناحیه N از میان شبکه کریستال عبور کرده و خود را نزدیک هتروجانکشن 1و یا بهتر بگوییم جانکشن نوع جدید نگه میدارند این لایه فقط ضخامت یک لایه را دارد که تشکیل چیزی را میدهد که اصطلاحا آنرا گاز الکترونی دو بعدی می نامند، در این لایه است که الکترون ها به آسانی می توانند به حرکت درآیند زیرا چیزی که الکترون از دست دهد در آن وجود ندارد و بنابراین الکترون ها به هم اصابت نمیکند.
خاصیت تحرک پذیری و یا حرکت الکترون ها در این به اصطلاح گاز خیلی بالاست. اساسی ترین قسمت این ترانزیستور اثر میدانی در مقطع یا برخوردگاه - junction - PN ویژه ایست که این ترانزیستور داراست این جانکشن بنام هترو جانکشن موسوم است که مواد مختلفی در دوطرف P و N قرار دارد معمولی ترین این موادآرسانید ِآلومینیوم گالیم AlGaAs و آرسانید گالیم GaAs است. علت اینکه از آرسانید گالیم در دو طرف آن استفاده شده برای اینست که حرکت الکترون را در آن ارتقا دهند و این عمده ترین کار برای یک ترانزیستور در نوسان های بالاست
در ترانزیستور های سیلیکان معمولی این اتفاق نمیافتد زیرا سیلیکان دارای تحرک الکترونی خیلی کمتری است و به همین دلیل در HEMTها از آن استفاده نمیشود و از ماسفت استفاده کرده اند. ساختمان های گوناگونی وجود دارند که میشود HEMT ها را بر اساس آنها ساخت اما تمام آنها دارای یک نوع فرآیند برای تولید هستند. در ابتدا یک لایه حقیقی از آرسانید گالیم را روی لایه دیگری از آرسانید گالیم شبه عایق میگذارند، ضخامت این دو لایه یک میکرون است. سپس لایه دیگری به ضخامت 30 تا 60 انگسترم از آرسانید آلومینیم گالیم را بر روی لایه قبلی قرار می دهند. هدف این است که مطمئن شوند که تحرک الکترونی زیاد با این لایه ها ممکن شود. لایه دیگری از آرسانید آلومینیم گالیم دیگری به ضخامت 500 میکرون بر روی لایه های قبلی قرار می دهند. در این مرحله فن آوری مخصوصی برای کنترل جهت ایجاد ضخامت بسیار دقیق لارم است.
دو ساختمان اصلی در این شیوه تولیدی بکار می رود. یکی از این ساختمان ها یون های خود جفت شونده پیوندی نام دارد و نوع دوم ساختمان با گیت تو رفته نامیده میشود. در شیوه اول یون های جفت شده گیت ترانزیستور را تشکیل می دهند و بعد درین - D - و سورس - S - روی آن گذاشته می شود که اتصال های فلزی بیش نیستند، همچنین اتصال های سورس و درین ممکن است گاهی از فلز ژرمانیوم ساخته شده باشند اما گیت - G - از فلز تیتانیوم ساخته شده است. اندازه گیت و کانال - P-N - خیلی کوچک است و ولتاژ آستانه1 ای ترانزیستور توسط این ضخامت معین میشود. ضخامت گیت معمولا 1/4 میکرون است که این المان با ساختمان ویژه را قادر به نوسان با فرکانس های بالا با کار آیی خوب میسازد.
-3 ساختار ترانزیستورهای با حرکت الکترون زیاد :AlGaN/GaN
ترانزیستور های HEMT ، ماسفت نیز نامیده می شوند. رایج ترین هتروجانکشن ها برای ماسفت ها، AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs, InAlAs/InGaAs هستند.
یک ساختار پایه برای HEMT در شکل 1 نشان داده شده است. همان طور که در شکل دیده می شود، لایه بری AlGaAs در زیر گیت آلاییده شده است در حالی که لایه GaAs کانال آلاییده نشده است و این به این دلیل است که حامل ها در ناحیه اینترفیس نقل مکان می کنند و از برخورد با ناخالصی ها دور می شوند. لایه آلاییده شده حدود 31 نانومتر ضخامت دارد. اغلب یک بار صفحه ای آلاییده شده با لایه بری در سطح برخورد با کانال به کار برده می شود. این اتصال از آلیاژهای شامل Ge مثل AuGe ساخته می شود. سورس و درین از لایه های عمیق با کاشت یونی تشکیل شده اند. مشابه ماسفت فلز گیت بیشتر اوقات از یک T-Gate شکل می گیرد تا مقاومت الکتریکی گیت کاهش یابد. اکثر HEMTها از نوع کانال n هستند تا به قابلیت حرکت و در نتیجه سرعت بالاتر دست یابند.
شکل : - 1 - ساختار ساده .[5] HEMT
1-3 مشخصات:
بر اساس مدل اولی فرض می کنیم ناخالصی های لایه بری به طور کامل یونیزه شده اند و از آن ناحیه دور شده اند. با توجه به شکل 2 پتانسیل در ناحیه تخلیه با رابطه زیر داده می شود.
