利用 HEMT 和 PHEMT 改善無線通信電路中的增益、速度和噪聲

本文轉載自： Cadence楷登PCB及封裝資源中心

本文要點

高電子遷移率晶體管 (High electron mobility transistors ，HEMT) 和偽高電子遷移率晶體管 (pseudomorphic high electron mobility transistors ，PHEMT) 因其獨特的、可提高性能的特點而大受歡迎

在 HEMT 結構中，高電子遷移率是由于摻雜的寬帶半導體與未摻雜的窄帶隙半導體并列在一起造成的

HEMT 和 PHEMT 常見于移動電話、衛星電視接收器、雷達和低噪聲放大器。

用于無線通信放大器和轉換器的有源器件需要具備高增益、高速度和低噪聲的特點。當用于放大器和轉換器的元件表現出這些增強的特性時，系統的性能會自動提升。

在毫米波頻段的射頻和微波通信系統中，高電子遷移率晶體管 (HEMT) 和偽高電子遷移率晶體管 (PHEMT) 因其高功耗附加效率、出色的噪聲表現、高開關速度和獨特的電流-電壓特性而被廣泛使用。這些特性使 HEMT 和 PHEMT 能夠在廣泛的應用中提高設計性能。

HEMT 和 PHEMT 的結構和操作

HEMT 和 PHEMT 都是場效應晶體管 (FET) 的一種變體，適用于單片微波集成電路 (MMIC) 的制造。HEMT 和 PHEMT 結構將移動載流子與摻雜離子物理隔離，并防止光學聲子和離子化雜質造成潛在的散射問題。

讓我們深入了解一下 HEMT 和 PHEMT 的結構。

HEMT 和 PHEMT 用于提高手機的性能

HEMT 的結構

發明 HEMT 的初衷是在室溫下的半導體器件中獲得高電子遷移率。在 HEMT 中用 AlxGa1-xAs/GaAs 量子阱異質結構實現的高電子遷移率迅速取代了無線通信電路中的金屬半導體 FET (MESFET)，因為后者的電子遷移率即使在較高的摻雜水平下也十分有限。

在 HEMT 結構中，高電子遷移率是由于摻雜的寬帶半導體與未摻雜的窄帶隙半導體并列在一起造成的。這種具有不同帶隙的兩種材料的結構形成了異質結，在摻雜區有一個通道。這種 HEMT 也被稱為異質結構 FET (HFET) 或調制摻雜 FET (MODFET)。

當兩個不同帶隙和摻雜水平的半導體被整合到一個器件的結構中時，電子會向能量較低的窄帶隙材料移動。這種電荷轉移受到電子和供體離子之間電場的排斥，并傾向于改變帶電位。

載流子被限制在窄帶隙未摻雜材料的三角量子阱區域，該區域緊鄰寬帶隙摻雜材料。量子阱區域的薄度創造了自由載流子的二維電子氣 (2DEG)。

在這個二維電子氣中，沒有其他供體電子，因此，該區域的電子遷移率非常高。這種異質結構有助于在 HEMT 中實現較高的電子遷移率。

在 HEMT 結構中使用的兩種半導體，其晶格常數或原子間的間距相同。如果晶格常數不匹配，就會導致傳導帶不連續、深層陷阱，并最終導致 HEMT 性能下降。

異質結處傳導帶輕微的不連續現象和 2DEG 之間缺失的勢壘只限制了通道中的少數電子，導致 HEMT 額定電流較低。

PHEMT 的結構

為了克服 HEMT 的缺點，可以在通道和基板之間引入一個勢壘。為此，可以在砷化鎵 (GaAs) 緩沖器和供應層之間建立一個贗晶砷化鎵 (InGaAs) 通道。這種結構上的改變將 HEMT 轉變為了 PHEMT。GaAs 緩沖器和供應層之間的 InGaAs 通道將 HEMT 轉變為 PHEMT。PHEMT 技術允許用帶隙差異較大的材料來制造 HEMT 器件。

HEMT 的應用

得益于氮化鎵/氮化鋁（GaN/AlGaN） HEMT 的進展，HEMT 器件可以用于高電壓、高電流和低導通電阻電路。

與基于硅和砷化鎵的器件相比，基于氮化鎵的 HEMT 器件表現出了特殊性能，如更高的擊穿電壓、飽和電子漂移速度、熱導率、功耗密度和更寬的帶寬。

HEMT 元件的用途

當今的 HEMT 元件堅固耐用、性能可靠，可用于高壓和高溫應用。它們經常出現在商業、軍事、汽車以及航空航天工業應用中的高電壓和高功耗轉換器中。

由于 2DEG 中的電子碰撞較少，HEMT 器件的噪聲系數非常低，使它們非常適合于在高達 100GHz 的頻率范圍內工作的低噪聲放大器電路、振蕩器和混合器。由于 HEMT 和 PHEMT 具備低噪聲、高開關速度和高頻性能，也常被用在射頻通信系統中的 MMIC 上。常見的應用領域還包括高速數據網絡通信系統、廣播接收器和雷達中使用的電路。

現代無線通信系統需要高功耗密度的放大器、振蕩器和混頻器，同時成本要低。在各種行業中，為了獲得卓越性能，需要利用高頻運行的射頻和微波電路提供高增益、高效率和低噪聲特性。HEMT 和 PHEMT 是滿足這些標準的創新半導體元件。如果您的目標是提供穩健可靠的電路，并改善增益、速度和噪聲特性，可以考慮在無線通信電路中用 HEMTS 和 PHEMT 取代傳統的 FET，以提高性能。

審核編輯 黃宇