Le transistor HEMT ou à haute mobilité électronique est un type de transistor à effet de champ (FET) , qui est utilisé pour offrir une combinaison de faible facteur de bruit et de très hauts niveaux de performance aux fréquences micro-ondes. Il s'agit d'un appareil important pour les circuits numériques à haute vitesse et haute fréquence et les circuits hyperfréquences avec des applications à faible bruit. Ces applications comprennent l'informatique, les télécommunications et l'instrumentation. Et l'appareil est également utilisé dans la conception RF, où des performances élevées sont requises à des fréquences RF très élevées.
Construction de transistor à haute mobilité électronique (HEMT)
L'élément clé utilisé pour construire un HEMT est la jonction PN spécialisée. Il est connu sous le nom d'hétéro-jonction et consiste en une jonction qui utilise différents matériaux de chaque côté de la jonction. À la place du jonction p-n , une jonction métal-semi-conducteur (barrière Schottky polarisée en inverse) est utilisée, où la simplicité des barrières Schottky permet à la fabrication de fermer les tolérances géométriques.
Les matériaux les plus courants sont l'arséniure d'aluminium et de gallium (AlGaAs) et l'arséniure de gallium (GaAs). L'arséniure de gallium est généralement utilisé car il fournit un niveau élevé de mobilité électronique de base qui a des mobilités et des vitesses de dérive des porteurs supérieures à celles du Si.
Coupe transversale schématique d'un HEMT
La fabrication d'un HEMT selon la procédure suivante, d'abord une couche intrinsèque d'arséniure de gallium est déposée sur la couche semi-isolante d'arséniure de gallium. C'est seulement environ 1 micron d'épaisseur. Après cela, une couche très mince entre 30 et 60 angströms d'arséniure d'aluminium et de gallium intrinsèque est déposée au-dessus de cette couche. Le but principal de cette couche est d'assurer la séparation de l'interface hétéro-jonction de la région dopée d'arséniure d'aluminium et de gallium.
Ceci est très critique si la mobilité électronique élevée doit être obtenue. La couche dopée d'arséniure d'aluminium et de gallium d'environ 500 angströms d'épaisseur est déposée au-dessus de celle-ci comme indiqué dans les schémas ci-dessous. L'épaisseur exacte de cette couche est requise et des techniques spéciales sont nécessaires pour le contrôle de l'épaisseur de cette couche.
Il existe deux structures principales qui sont la structure à implantation ionique auto-alignée et la structure de grille évidée. Dans une structure à implantation ionique auto-alignée, la porte, le drain et la source sont posés et ce sont généralement des contacts métalliques, bien que les contacts de source et de drain puissent parfois être en germanium. La grille est généralement en titane et forme une minuscule jonction polarisée en inverse similaire à celle du GaAs-FET.
Pour la structure de grille évidée, une autre couche d'arséniure de gallium de type n est déposée pour permettre la réalisation des contacts de drain et de source. Les zones sont gravées comme indiqué dans le diagramme ci-dessous.
L'épaisseur sous la grille est également très critique puisque la tension de seuil du FET n'est déterminée que par l'épaisseur. La taille de la porte, et donc du canal, est très petite. Pour maintenir une performance haute fréquence, la taille de la porte doit être typiquement de 0,25 microns ou moins.
Diagrammes en coupe comparant les structures d'un HEMT AlGaAs ou GaAs et d'un GaAs
Fonctionnement HEMT
Le fonctionnement du HEMT est un peu différent des autres types de FET et par conséquent, il est capable de donner une performance très améliorée par rapport à la jonction standard ou FET MOS , et en particulier dans les applications RF micro-ondes. Les électrons de la région de type n se déplacent à travers le réseau cristallin et beaucoup restent proches de l'hétéro-jonction. Ces électrons forment une couche d'une épaisseur d'une seule couche, formant un gaz d'électrons bidimensionnel illustré sur la figure (a) ci-dessus.
Dans cette région, les électrons peuvent se déplacer librement, car il n'y a pas d'autres électrons donneurs ou d'autres éléments avec lesquels les électrons entreront en collision et la mobilité des électrons dans le gaz est très élevée. La tension de polarisation appliquée à la grille formée comme une diode à barrière Schottky est utilisée pour moduler le nombre d'électrons dans le canal formé à partir du gaz d'électrons 2D et consécutivement cela contrôle la conductivité du dispositif. La largeur du canal peut être modifiée par la tension de polarisation de grille.
Applications de HEMT
- Le HEMT était autrefois développé pour les applications à grande vitesse. En raison de leurs performances à faible bruit, ils sont largement utilisés dans les petits amplificateurs de signaux, les amplificateurs de puissance, les oscillateurs et les mélangeurs fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 60 GHz.
- Les dispositifs HEMT sont utilisés dans un large éventail d'applications de conception RF, y compris les télécommunications cellulaires, les récepteurs de diffusion directe - DBS, la radioastronomie, RADAR (système de détection et de télémétrie radio) et principalement utilisé dans toute application de conception RF qui nécessite à la fois des performances à faible bruit et des opérations à très haute fréquence.
- De nos jours, les HEMT sont plus généralement incorporés dans circuits intégrés . Ces puces de circuit intégré micro-ondes monolithiques (MMIC) sont largement utilisées pour les applications de conception RF
Un autre développement du HEMT est PHEMT (Transistor Pseudomorphic High Electron Mobility). Les PHEMT sont largement utilisés dans les communications sans fil et les applications LNA (Low Noise Amplifier). Ils offrent des efficacités ajoutées de puissance élevée et d'excellents chiffres et performances à faible bruit.
Ainsi, il s'agit de Transistor à haute mobilité électronique (HEMT), son fonctionnement et ses applications. Si vous avez des questions sur ce sujet ou sur les projets électriques et électroniques, laissez les commentaires ci-dessous.
