Les transistors à haute mobilité électronique (HEMT et HEM FETs) utilisent une hétérojonction et un canal de gaz électronique bidimensionnel (2DEG) pour atteindre une très grande vitesse, gain et faible bruit dans les circuits RF, millimétriques et de puissance. Cet article explique leur structure de couche, leurs matériaux, leurs modes, leurs méthodes de croissance, leur fiabilité, leur modélisation et leur disposition des circuits imprimés en étapes claires.
HEMT et HEM FETs Bases
Les transistors à haute mobilité électronique (HEMT ou HEM FET) sont des transistors à effet de champ qui utilisent une frontière entre deux matériaux semi-conducteurs différents au lieu d’un canal unique et uniformément dopé comme dans un MOSFET. Cette frontière, appelée hétérojonction, permet aux électrons de se déplacer très rapidement dans une fine couche à faible résistance. De ce fait, les HEMT peuvent commuter à très haute vitesse, fournir un gain de signal fort et maintenir un faible bruit dans les circuits à haute fréquence. Les systèmes matériels courants tels que GaN, GaAs et InP sont choisis pour équilibrer vitesse, résistance en tension et coût, si bien que les HEMT sont largement utilisés dans l’électronique moderne haute et haute puissance.
Canal 2DEG dans les HEMT et les FET HEM
Dans les HEMT, la grande mobilité provient d’une très fine couche d’électrons appelée gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG). Cette couche se forme à la frontière entre une couche à large bande interdite et un canal à bande interdite plus étroite. Le canal n’est pas dopé, donc les électrons se déplacent avec moins de collisions, offrant un chemin rapide et à faible résistance pour le courant.
Étapes dans la formation du 2DEG :
• Les atomes donneurs dans la couche à large bande passante libèrent des électrons.
• Les électrons se déplacent vers le canal à bande interdite étroite à énergie plus basse.
• Un mince puits quantique forme et emprisonne les électrons dans une feuille.
• Cette feuille 2DEG agit comme un canal rapide contrôlé par la porte.
Structure des couches dans les HEMT et les FET HEM
Couche de condensateur n⁺ 3,1 (bande passante basse)
Fournit un chemin à faible résistance pour les contacts source et drain. Le bouchon est retiré sous la porte pour garder le contrôle du canal.
3,2 n⁺ couche donneuse/barrière à large bande interdite
Il fournit des électrons qui remplissent le 2DEG et aide à gérer les champs électriques élevés.
Couche d’espacement non dopée
Cela sépare les donneurs du 2DEG afin que les électrons subissent moins de collisions et puissent se déplacer plus facilement.
Canal/tampon à bande interdite étroite non dopé
Maintient le 2DEG et laisse le courant circuler rapidement à hautes fréquences et champs élevés.
Substrat (Si, SiC, saphir, GaAs ou InP)
Soutient toute la structure et est choisie pour la gestion thermique, le coût et l’adaptation des matériaux ; GaN-on-Si et GaN-on-SiC sont courants dans les HEMT de puissance et RF.
Options de matériaux pour les HEMT et les FET HEM
| Système matériel | Principaux points forts | Plage de fréquences typique |
|---|---|---|
| AlGaAs / GaAs | Faible bruit, stable et bien développé | Du micro-ondes à la basse ondes mm |
| InAlAs / InGaAs sur InP | Très haute vitesse, très peu de bruit | mmWave et plus haut |
| AlGaN / GaN sur SiC ou Si | Haute tension, haute puissance, prêt à chauffer | RF, micro-ondes, commutation de puissance |
| Si / SiGe | Fonctionne avec le CMOS, meilleure mobilité que le silicium | RF et numérique haute vitesse |
structures pHEMT et mHEMT dans les HEMT et les FET HEM
| Type | Approche en réseau | Principaux avantages | Limites/compromis typiques |
|---|---|---|---|
| pHEMT | Utilise un canal très fin et tendu maintenu en dessous d’une épaisseur critique pour correspondre au substrat | Mobilité électronique élevée, faibles défauts, performances stables | L’épaisseur du canal est limitée ; La contrainte stockée doit être gérée |
| mHEMT | Utilise un tampon « métamorphique » gradué qui modifie lentement la constante du réseau | Permet une forte teneur en indium et une très grande vitesse (haute fT) | Tampon plus complexe, risque accru de défauts cristallins |
Modes d’amélioration et d’épuisement dans les HEMT et les FET HEM
HEMT en mode d’appauvrissement (dHEMT, normalement activé)
• Souvent présent dans les structures AlGaN/GaN où un 2DEG se forme de lui-même.
• Le dispositif conduit à VGS = 0V ; Une tension négative de grille est nécessaire pour couper le canal.
• Peut atteindre des niveaux de puissance très élevés et une tension de rupture élevée, mais nécessite des soins supplémentaires pour rendre le système à sécurité de panne.
HEMT en mode d’amélioration (eHEMT, normalement désactivé)
• Construit de façon à ce que le canal soit éteint à VGS = 0V.
• Les méthodes incluent la recessation de la grille, la grille p-GaN ou le traitement au fluor pour déplacer le seuil vers une valeur positive.
• Agit davantage comme un MOSFET, ce qui peut faciliter la protection et le contrôle des circuits d’alimentation et d’automobile.
Rôles RF et ondes millimétriques des HEMT et des FET HEM
Dans les circuits RF et ondes millimétriques, les HEMT et les FET HEM sont largement utilisés car ils peuvent commuter très rapidement et n’ajouter qu’une faible quantité de bruit au signal. Leur structure leur confère un gain élevé et leur permet de travailler à des fréquences où de nombreux dispositifs en silicium commencent à avoir des difficultés.
Dans ces systèmes, les HEMT servent souvent d’amplificateurs à faible bruit qui amplifient les signaux faibles avec un minimum de bruit ajouté, et d’amplificateurs de puissance qui dirigent des signaux plus forts à haute fréquence. Les technologies HEMT avancées peuvent conserver un gain utile bien dans la plage des ondes millimétriques, ce qui les rend largement utilisées dans les circuits de communication et de détection à très haute fréquence.
HEMT et FET HEM GaN dans la conversion de puissance
Les HEMT et FET HEM GaN sont désormais utilisés comme commutateurs principaux dans les convertisseurs de puissance haute efficacité et haute fréquence dans la plage 100–650 V. Ils ont des pertes de commutation bien plus faibles que les MOSFET en silicium, ce qui leur permet de fonctionner à des centaines de kilohertz voire jusqu’à la plage des mégahertz tout en restant efficaces.
Ces dispositifs offrent également une faible résistance d’allumage et une faible charge, ce qui aide à réduire à la fois les pertes de conduction et de commutation. Leur champ électrique puissant et leur bonne gestion de la température permettent des magnétiques plus petits et des étages de puissance plus compacts. Pour obtenir ces avantages en toute sécurité, le lecteur de grille, la disposition du PCB et le contrôle EMI doivent être soigneusement planifiés afin que les bords de tension et le sonnement rapides restent sous contrôle.
Croissance épitaxiale pour les HEMT et les FET HEM
9,1 MBE (Épitaxie à faisceau moléculaire)
• Utilise un vide ultra-élevé et un contrôle très précis de la croissance.
• Courant en recherche et dans les HEMT à faible volume et très haute performance.
MOCVD (CVD métal-organique)
• Supporte un débit élevé de plaquettes.
• Utilisé pour les HEMT GaN et GaAs commerciaux, équilibrant performance et coût de production.
Fiabilité et comportement dynamique dans les HEMT et les FET HEM
Les HEMT et FET HEM basés sur GaN peuvent rencontrer des problèmes de fiabilité lorsqu’ils commutent à haute tension et à haute puissance. Les pièges dans le tampon, la surface ou les interfaces peuvent capter la charge lors de la commutation, ce qui augmente la résistance dynamique et coupe le courant, entraînant un effondrement du courant par rapport au fonctionnement en courant continu.
Des champs électriques forts et des températures élevées près de la porte peuvent ajouter un stress supplémentaire. Au fil du temps, les commutations répétées, la chaleur, l’humidité ou le rayonnement peuvent lentement modifier des valeurs comme la tension seuil et la fuite, de sorte qu’une bonne conception thermique et une bonne protection favorisent la stabilité à long terme.
Conclusion
Le comportement HEMT et HEM FET provient du canal 2DEG, du système de matériaux choisi, et de la structure pHEMT ou mHEMT, façonné par la conception des modes d’amélioration ou d’appauvriment. Avec la croissance MBE ou MOCVD, les pièges, la résistance dynamique et les limites thermiques définissent la performance réelle. Des modèles RF et de puissance précis, ainsi que des choix soigneux du circuit imprimé et de l’emballage, maintiennent le fonctionnement stable.
Foire aux questions [FAQ]
Quelle tension de commande de porte les HEMT GaN ont-ils besoin ?
La plupart des HEMT GaN en mode d’amélioration utilisent environ 0–6 V de commande de porte.
Les HEMT ont-ils besoin de pilotes de porte spéciaux ?
Oui. Ils ont besoin de pilotes de portes rapides et à faible inductance, souvent des circuits intégrés dédiés pour pilotes GaN.
Quels packages sont courants pour les HEMT et HEM FIT ?
Les HEMT RF utilisent des boîtiers céramiques RF ou montés en surface. Les HEMT Power GaN utilisent des packs de puissance QFN/DFN, LGA, des ensembles de puissance à faible inductance, ou certains packages de type TO.
Comment la température affecte-t-elle la performance du HEMT ?
Une température plus élevée augmente la résistance d’allumage, réduit le courant, diminue le gain RF et augmente la fuite.
Comment les HEMT sont-ils testés dans les convertisseurs de puissance ?
Ils sont vérifiés par un test à double impulsion pour mesurer l’énergie de commutation, le dépassement, la sonnerie et le RDS(on).
Quelles mesures de sécurité sont importantes pour les HEMT GaN haute tension ?
Utilisez une isolation renforcée, des fusibles ou disjoncteurs appropriés, une protection contre les surtensions, un bon dégagement et une distance de dégagement, un contrôle contrôlé dv/dt et un entraînement de porte protégé.
