Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs und HEM FETs) verwenden eine Heterojunction und einen zweidimensionalen Elektronengaskanal (2DEG), um sehr hohe Geschwindigkeit, Verstärkung und geringe Rauschverhältnisse in HF-, Millimeterwellen- und Leistungsschaltungen zu erreichen. Dieser Artikel erklärt ihre Schichtstruktur, Materialien, Modi, Wachstumsmethoden, Zuverlässigkeit, Modellierung und PCB-Layout in klaren Schritten.
HEMTs und HEM FETs Grundlagen
Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs oder HEM-FETs) sind Feldeffekttransistoren, die eine Grenze zwischen zwei verschiedenen Halbleitermaterialien verwenden, anstatt wie bei einem MOSFET einen einzigen, gleichmäßig dotierten Kanal. Diese Grenze, genannt Heterojunction, ermöglicht es Elektronen, sich sehr schnell in einer dünnen Schicht mit geringem Widerstand zu bewegen. Dadurch können HEMTs mit sehr hohen Geschwindigkeiten schalten, eine starke Signalverstärkung liefern und das Rauschen in Hochfrequenzschaltungen niedrig halten. Gängige Materialsysteme wie GaN, GaAs und InP werden gewählt, um Geschwindigkeit, Spannungsfestigkeit und Kosten auszubalancieren, sodass HEMTs in moderner Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik weit verbreitet eingesetzt werden.
2DEG-Kanal in HEMTs und HEM-FETs
Bei HEMTs stammt die hohe Mobilität von einer sehr dünnen Elektronenschicht, die als zweidimensionales Elektronengas (2DEG) bezeichnet wird. Diese Schicht bildet sich an der Grenze zwischen einer breiten Bandlückenschicht und einem schmaleren Bandlückenkanal. Der Kanal ist undopet, sodass sich Elektronen mit weniger Kollisionen bewegen, was einen schnellen, widerstandsarmen Stromweg ermöglicht.
Schritte bei der 2DEG-Formation:
• Spenderatome in der Breitbandlückenschicht setzen Elektronen frei.
• Elektronen bewegen sich in den niedrigerenergetischen Kanal, der eine Schmalbandlücke hat.
• Ein dünner Quantenbrunnen bildet und fängt die Elektronen in einem Blatt ein.
• Dieses 2DEG-Blatt fungiert als schneller Kanal, der vom Gate gesteuert wird.
Schichtstruktur bei HEMTs und HEM FETs
3,1 n⁺ Kappschicht (niedrige Bandlücke)
Bietet einen widerstandsarmen Weg für die Quell- und Abflusskontakte. Die Kappe wird unter dem Gate entfernt, um den Kanal kontrolliert zu halten.
3,2 n⁺ breitbandige Spender-/Barriereschicht
Liefert Elektronen, die die 2DEG füllen, und hilft, hohe elektrische Felder zu verarbeiten.
Undopierte Abstandsschicht
Es trennt die Donatoren vom 2DEG, sodass Elektronen weniger Kollisionen haben und sich leichter bewegen können.
Unbedeckter Kanal/Puffer mit schmaler Bandlücke
Hält die 2DEG und lässt den Strom bei hohen Frequenzen und hohen Feldern schnell fließen.
3,5 Substrat (Si, SiC, Saphir, GaAs oder InP)
Unterstützt die gesamte Struktur und wird aufgrund von Wärmebehandlung, Kosten und Materialübereinstimmung ausgewählt; GaN-on-Si und GaN-on-SiC sind häufig in Leistungs- und RF-HEMTs üblich.
Materialoptionen für HEMTs und HEM FETs
| Materialsystem | Hauptstärken | Typischer Frequenzbereich |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Wenig Rausch, stabil und gut entwickelt | Mikrowelle zu niedrigem mmWave |
| InAlAs / InGaAs auf InP | Sehr hohe Geschwindigkeit, sehr wenig Lärm | mmWave und höher |
| AlGaN / GaN auf SiC oder Si | Hohe Spannungsfestigkeit, hohe Leistung, warmbereit | HF, Mikrowelle, Leistungsschaltung |
| Si / SiGe | Funktioniert mit CMOS, bessere Mobilität als Silizium | RF- und Hochgeschwindigkeitsdigital- |
pHEMT- und mHEMT-Strukturen bei HEMTs und HEM-FETs
| Typ | Gitteransatz | Hauptvorteile | Typische Grenzen/Abwägungen |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Verwendet einen sehr dünnen, gespannten Kanal, der unter einer kritischen Dicke gehalten wird, um zum Substrat zu passen. Hohe Elektronenmobilität, geringe Defekte, stabile Leistung | Die Kanaldicke ist begrenzt; Die gespeicherte Belastung muss kontrolliert werden | |
| mHEMT | Verwendet einen graduierten "metamorphen" Puffer, der die Gitterkonstante | langsam verändert Ermöglicht einen hohen Indiumgehalt und sehr hohe Geschwindigkeit (hohe fT) | Komplexerer Puffer, höheres Risiko von Kristalldefekten |
Verbesserungs- und Entschädigungsmodi in HEMTs und HEM FETs
Depletion-Mode HEMTs (dHEMT, normalerweise eingeschaltet)
• Häufig in AlGaN/GaN-Strukturen zu finden, wo sich ein 2DEG von selbst bildet.
• Das Gerät leitet bei VGS = 0V; eine negative Gate-Spannung ist erforderlich, um den Kanal abzuschalten.
• Kann sehr hohe Leistungspegel und hohe Durchschlagsspannung erreichen, erfordert jedoch besondere Sorgfalt, um das System ausfallsicher zu machen.
Verbesserungsmodus-HEMTs (eHEMT, normalerweise aus)
• So gebaut, dass der Kanal bei VGS = 0V ausgeschaltet ist.
• Zu den Methoden gehören Gate-Recess, p-GaN-Gate oder Fluorbehandlung, um den Schwellenwert auf einen positiven Wert zu verschieben.
• Wirkt eher wie ein MOSFET, was den Schutz und die Steuerung von Strom- und Fahrzeugkreisen erleichtert.
HF- und Millimeterwellenrollen von HEMTs und HEM FETs
In HF- und Millimeterwellenschaltungen werden HEMTs und HEM-FETs weit verbreitet eingesetzt, da sie sehr schnell schalten und nur eine geringe Menge Rauschen zum Signal hinzufügen können. Ihre Struktur verleiht ihnen eine hohe Verstärkung und ermöglicht es ihnen, bei Frequenzen zu arbeiten, bei denen viele Siliziumbauelemente Schwierigkeiten haben.
In diesen Systemen dienen HEMTs oft als rauscharme Verstärker, die schwache Signale mit minimalem zusätzlichem Rauschen verstärken, und als Leistungsverstärker, die stärkere Signale bei hoher Frequenz ansteuern. Fortschrittliche HEMT-Technologien können die nützliche Verstärkung weit im Millimeterwellenbereich halten, weshalb sie in sehr hochfrequenten Kommunikations- und Messschaltungen weit verbreitet eingesetzt werden.
GaN HEMTs und HEM FETs bei der Leistungsumwandlung
GaN-HEMTs und HEM-FETs werden heute als Hauptschalter in hocheffizienten, hochfrequenten Leistungswandlern im Bereich von 100–650 V verwendet. Sie haben viel geringere Schaltverluste als viele Silizium-MOSFETs, sodass sie mit mehreren hundert Kilohertz oder sogar bis in den Megahertzbereich laufen können und dabei effizient bleiben.
Diese Geräte bieten außerdem einen niedrigen Widerstand und niedrige Ladung, was sowohl Leitungs- als auch Schaltverluste reduziert. Ihr starkes elektrisches Feld und gute Temperaturkontrolle unterstützen kleinere Magnetiken und kompaktere Leistungsstufen. Um diese Vorteile sicher zu erzielen, müssen das Gate-Laufwerk, das PCB-Layout und die EMI-Steuerung sorgfältig geplant werden, sodass Schnellspannungskanten und Ringing unter Kontrolle bleiben.
Epitaxiales Wachstum bei HEMTs und HEM FETs
9,1 MBE (Molekulare Strahlepitaxie)
• Verwendet ultrahohes Vakuum und sehr präzise Steuerung des Wachstums.
• In der Forschung und bei niedrigvolumigen, sehr leistungsstarken HEMTs verbreitet.
MOCVD (Metall-Organisches CVD)
• Unterstützt einen hohen Wafer-Durchsatz.
• Verwendet für kommerzielle GaN- und GaAs-HEMTs, wobei Leistung und Produktionskosten ausbalanciert werden.
Zuverlässigkeit und dynamisches Verhalten bei HEMTs und HEM FETs
GaN-basierte HEMTs und HEM-FETs können Zuverlässigkeitsprobleme haben, wenn sie bei hoher Spannung und hoher Leistung schalten. Falken in Puffer, Oberfläche oder Schnittstellen können während des Schaltens Ladung auffangen, was den dynamischen Aufwärtswiderstand erhöht und den Strom unterbricht, was im Vergleich zum Gleichstrombetrieb zum Stromkollaps führt.
Starke elektrische Felder und hohe Temperaturen in der Nähe des Tores können zusätzlichen Stress verursachen. Im Laufe der Zeit können wiederholtes Schalten, Wärme, Feuchtigkeit oder Strahlung langsam Werte wie Schwellenspannung und Leck verändern, sodass ein gutes thermisches Design und Schutz langfristige Stabilität unterstützen.
Fazit
Das Verhalten von HEMT und HEM FET stammt vom 2DEG-Kanal, dem gewählten Materialsystem und der pHEMT- oder mHEMT-Struktur, die durch das Design des Enhancement- oder Depletion-Modus geformt wird. Zusammen mit MBE- oder MOCVD-Wachstum definieren Fallen, dynamischer Widerstand und thermische Grenzen die reale Leistung. Genaue HF- und Leistungsmodelle sowie sorgfältige PCB- und Verpackungswahl sorgen für stabilen Betrieb.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
Welche Gate-Drive-Spannung benötigen GaN-HEMTs?
Die meisten GaN-HEMTs im Enhancement-Modus verwenden etwa 0–6 V Gate-Antrieb.
Benötigen HEMTs spezielle Gate-Treiber?
Ja. Sie benötigen schnelle, niedriginduktive Gate-Treiber, oft dedizierte GaN-Treiber-ICs.
Welche Pakete sind für HEMTs und HEM-FETs üblich?
RF-HEMTs verwenden RF-Keramik- oder Flächenmontagegehäuse. Power GaN HEMTs verwenden QFN/DFN, LGA, leistungsgehäuse mit niedriger Induktivität oder einige TO-ähnliche Gehäuse.
Wie beeinflusst die Temperatur die HEMT-Leistung?
Eine höhere Temperatur erhöht den Einschaltwiderstand, reduziert den Strom, senkt die HF-Verstärkung und erhöht die Leckage.
Wie werden HEMTs in Leistungswandlern getestet?
Sie werden mit einem Doppelpulstest überprüft, um Schaltenergie, Überschuss, Klingeln und RDS(eingeschaltet) zu messen.
Welche Sicherheitsmaßnahmen sind für Hochspannungs-GaN-HEMTs wichtig?
Verwenden Sie verstärkte Isolierung, geeignete Sicherungen oder Sicherungen, Überspannungsschutz, korrekten Kriech- und Freiraum, kontrollierte Dv/DT und geschützten Torantrieb.
