半導體元件HEMT的原理及應用

作者:Hightech   |   2018 / 12 / 04

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


HEMT的構造

高電子移動速度電晶體(HEMT:High Electron Mobility Transistor)簡稱為「HEMT」。

NMES 是很好的元件,但是仍然有許多缺點,例如:在砷化鎵中摻雜 N 型的區域雖然會增加導電性,但是摻雜是將雜質原子加入原有的單晶半導體中,必定會破壞原有的單晶結構而使原子排列變混亂,造成電子移動速度變慢;但是如果不摻雜則沒有足夠的電子,導電性不夠,兩者互相矛盾,因此科學家在導通電子的區域製作兩層的結構,如<圖一>所示:

➤下層電子通道:在砷化鎵基板上成長「無摻雜」的砷化鋁鎵磊晶,做為電子通道,由於沒有摻雜因此單晶結構原子排列非常整齊,電子可以快速移動。

➤上層產生電子:在無摻雜的砷化鋁鎵磊晶上面再成長 N 型(有摻雜)的砷化鋁鎵磊晶,摻雜後多出許多電子。

由<圖一>中可以看出,這樣的結構使電子在上層 N 型的砷化鋁鎵磊晶產生(有摻雜才容易產生電子),然後在下層無摻雜的砷化鋁鎵磊晶移動,因為無摻雜的砷化鋁鎵單晶結構沒有被破壞,電子可以快速移動,故稱為「高電子移動速度」。目前 HEMT 已經成功開發成商品,並且應用在高頻積體電路中,但是由於構造包括兩層磊晶,製造程序較為複雜,因此成本較高。

圖一 HEMT 的構造。

HEMT 開關(HEMT switch)

HEMT 開關的工作原理與 MOS 相同,如<圖二>所示,因為砷化鎵的製程技術沒有矽晶圓成熟,所以元件尺寸比較大,成本也比較高,但是砷化鎵的原子振動頻率比矽高,所以適合用來製作高頻積體電路。使用 HEMT 開關來製作「數位積體電路」,例如:處理器(CPU),工作頻率可以達到 10 GHz 以上,早期曾經使用這種處理器來製作超級電腦(Super computer),應用在軍事用途,由於成本太高最後放棄,目前超級電腦也是使用 CMOS 來製作處理器(CPU),只是同時有很多個處理器(CPU)一起工作來提昇運算速度,就是所謂的「多核心處理器」。

圖二 HEMT 開關的工作原理。

HEMT 放大器(HEMT amplifier)

MES/HEMT 放大器的工作原理與 MOS 相同,如 <圖三> 所示,使用 MES 放大器來製作類比積體電路,例如:射頻積體電路(RF IC)、功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA:Low Noise Amplifier)等,則工作頻率可以達到 10 GHz 以上,而且穩定性高、雜訊低,目前廣泛的應用在高頻無線通訊設備中,例如:行動電話、衛星通訊,因此 MES 大多做為「高頻放大器」使用。

圖三 HEMT 放大器的工作原理。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

知識力》授權轉載

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