一文詳細了解高電子遷移率晶體管

HEMT（High Electron Mobility Transistor），高電子遷移率晶體管。這是一種異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場效應晶體管（MODFET）、二維電子氣場效應晶體管（2-DEGFET）、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管 (SDHT)等.

這種器件及其集成電路都能夠工作于超高頻（毫米波）、超高速領域，原因就在于它是利用具有很高遷移率的所謂二維電子氣來工作的。

因為一般的場效應集成電路為了達到超高頻、超高速，必須要減短信號傳輸?shù)难舆t時間τd∝ CL/(μnVm)和減小器件的開關能量(使IC不致因發(fā)熱而損壞)E = ( Pd τd )≈CLVm2/2，而這些要求在對邏輯電壓擺幅Vm的選取上是矛盾的，因此難以實現(xiàn)超高頻、超高速；解決的一個辦法就是，首先適當降低邏輯電壓擺幅,以適應IC穩(wěn)定工作的需要，而要縮短τd則主要是著眼于提高電子的遷移率μn，這就發(fā)展出了HEMT。

HEMT的基本結(jié)構(gòu)就是一個調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)。高遷移率的二維電子氣（2-DEG）存在于調(diào)制摻雜的異質(zhì)結(jié)中，這種2-DEG不僅遷移率很高，而且在極低溫度下也不“凍結(jié)”，則HEMT有很好的低溫性能, 可用于低溫研究工作 (如分數(shù)量子Hall效應)中。

HEMT是電壓控制器件，柵極電壓Vg可控制異質(zhì)結(jié)勢阱的深度，則可控制勢阱中2-DEG的面密度，從而控制著器件的工作電流。對于GaAs體系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制層應該是耗盡的 (厚度一般為數(shù)百nm,摻雜濃度為107~108 /cm3)。若n-AlxGa1-xAs層厚度較大、摻雜濃度又高，則在Vg =0時就存在有2-DEG,為耗盡型器件，反之則為增強型器件( Vg=0時Schottky耗盡層即延伸到i-GaAs層內(nèi)部)；但該層如果厚度過大、摻雜濃度過高,則工作時就不能耗盡,而且還將出現(xiàn)與S-D并聯(lián)的漏電電阻?？傊?，對于HEMT，主要是要控制好寬禁帶半導體層——控制層的摻雜濃度和厚度，特別是厚度。

①對于長溝道HEMT，其中電子的漂移速度vd不飽和，而且與溝道電場E(y)有關，即有 vd= μE(y)。則通過寬度是W的溝道的電流為IDS = q W Ns(y) μE(y)= Wμ[ε’ε0 / (d +Δd )]·[Vgs－VT－V(y)]·(dV(y)/dy)，

從源端積分到漏端( y = 0→L ),就得到HEMT的I-V特性：Ids = μ(W/L) [ε’εo/(d +Δd )]·[(Vgs－VT)Vds－(Vds2)/2].

相應地可求出HEMT的跨導為gm = μ(W/L) [ε’ε0 / (d +Δd )] Vds∝ Vds。

當Vds增加到Vdsat = Vgs－VT時,溝道夾斷,即得到飽和電流：Idsat = μ(W/L) [ε’ε0 / 2(d +Δd )] (Vgs－VT)2 ,

飽和時的跨導則為 gm sat = μ(W/L) [ε’ε0 / (d +Δd )] (Vgs－VT)。

②對于短溝道（L ≈1μm）的HEMT，漂移速度將飽和為vS，則飽和電流為

IDSat = q Ns0 vS W = vS W [ε’ε0 / (d +Δd )] (Vgs－VT)∝(Vgs－VT)；

并且飽和跨導與電壓無關： gm sat = vS W [ε’ε0 / (d +Δd )]。

實際上,對很短溝道的HEMT,往往是高得多的瞬態(tài)漂移速度起著決定作用，從而有更高的飽和電流和飽和跨導。

對于極性很大的半導體異質(zhì)結(jié)，那么情況將有所不同。譬如n+-AlGaN/i-GaN調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)，由于其中的高遷移率2-DEG主要是由極化效應而產(chǎn)生出來的，因此，即使在AlGaN控制層中不摻雜，也能夠得到大量的2-DEG（可高達1013cm），這時的2-DEG面密度將主要決定于極化效應的強度.

審核編輯：湯梓紅