उच्च-इलेक्ट्रॉन-मोबिलिटी ट्रांजिस्टर



एक उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता ट्रांजिस्टर (एचईएमटी), जिसे हेटरोस्ट्रक्चर एफईटी (एचएफईटी) या मॉड्यूलेशन-डॉप्ड एफईटी (एमओडीएफईटी) के रूप में भी जाना जाता है, एक फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर है। एक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर है जिसमें दो पदार्थों के बीच अलग-अलग बैंड अंतराल (यानी एक हेटेरोजंक्शन) के साथ एक डोप क्षेत्र के बजाय चैनल के रूप में एक जंक्शन शामिल होता है (जैसा कि सामान्यतः MOSFET के मामले में होता है)। GaAs के साथ AlGaAs सामान्यतः इस्तेमाल किया जाने वाला सामग्री संयोजन है, हालांकि डिवाइस के अनुप्रयोग पर निर्भर व्यापक भिन्नता है। अधिक इंडियम को शामिल करने वाले उपकरण सामान्यतः बेहतर उच्च-आवृत्ति प्रदर्शन दिखाते हैं, जबकि हाल के वर्षों में, गैलियम नाइट्राइड HEMTs ने अपने उच्च-शक्ति प्रदर्शन के कारण ध्यान आकर्षित किया है। अन्य एफईटी की तरह, HEMTs का उपयोग एकीकृत सर्किट में डिजिटल ऑन-ऑफ स्विच के रूप में किया जाता है। FETs को नियंत्रण संकेत के रूप में एक छोटे वोल्टेज का उपयोग करके बड़ी मात्रा में करंट के लिए एम्पलीफायर के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है। इन दोनों उपयोगों को FET’s की वर्तमान-वोल्टेज विशेषताओं द्वारा संभव बनाया गया है। HEMT ट्रांजिस्टर सामान्य ट्रांजिस्टर की तुलना में उच्च आवृत्तियों पर कार्य करने में सक्षम होते हैं, मिलीमीटर तरंग आवृत्तियों तक और उच्च आवृत्ति वाले उत्पादों जैसे सेल फोन, उपग्रह टेलीविजन रिसीवर, वोल्टेज कन्वर्टर्स और रडार उपकरण में उपयोग किया जाता है। वे व्यापक रूप से उपग्रह रिसीवरों में, कम शक्ति वाले एम्पलीफायरों में और रक्षा उद्योग में उपयोग किए जाते हैं।

लाभ
HEMTs के लाभ यह है कि उनके पास उच्च वृद्धि है, यह उन्हें प्रवर्धकों ( एम्पलीफायर ) के रूप में उपयोगी बनाता है। उच्च स्विचिंग गति जो प्राप्त की जाती है क्योंकि MODFETs में मुख्य चार्ज वाहक बहुसंख्यक वाहक होते हैं और अल्पसंख्यक वाहक महत्वपूर्ण रूप से शामिल नहीं होते हैं व ध्वनि कम मान की होती है, क्योंकि इन उपकरणों में वर्तमान भिन्नता अन्य की तुलना में कम है।

इतिहास
उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT) के आविष्कार का श्रेय सामान्यत: भौतिक विज्ञानी ताकाशी मिमुरा (三村 ) को दिया जाता है, जो जापान के फुजित्सु में काम करते थे। GAAS (गैलियम आर्सेनाइड) MOSFET ( मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर ), जिसे मिमुरा 1977 से मानक  सिलिकॉन (Si) MOSFET के विकल्प के रूप में शोध कर रहे थे। उन्होंने वसंत 1979 में HEMT की कल्पना की। जब उन्होंने संयुक्त राज्य अमेरिका के बेल लैब्स में विकसित एक मॉड्यूलेटेड-डॉप्ड हेटेरोजंक्शन  सुपरलैटिस के बारे में पढ़ा।  रे डिंगल, आर्थर गोसार्ड और होर्स्ट स्टॉमर ने अप्रैल 1978 में पेटेंट दायर किया था। मिमुरा ने अगस्त 1979 में HEMT के लिए एक पेटेंट प्रकटीकरण दायर किया और फिर उस वर्ष के अंत में एक और  पेटेंट  दायर किया। HEMT डिवाइस D-HEMT का पहला प्रदर्शन मई 1980 में मिमुरा और सतोशी हियामिज़ु द्वारा प्रस्तुत किया गया और फिर उनके द्वारा बाद में अगस्त 1980 में पहले E-HEMT का प्रदर्शन किया।

स्वतंत्र रूप से, डेनियल डेलागेब्यूड्यूफ और ट्रान्स लिन्ह नुयेन ने फ्रांस में थॉमसन-सीएसएफ में काम करते हुए मार्च 1979 में इसी प्रकार के फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर के लिए एक पेटेंट दायर किया था। यह एक प्रभाव के रूप में बेल लैब्स पेटेंट का भी हवाला देता है। "व्युत्क्रमित " HEMT का पहला प्रदर्शन अगस्त 1980 में डेलागेब्यूड्यूफ और नुयेन द्वारा प्रस्तुत किया गया था।

एक GaN-आधारित HEMT का सबसे पहला उल्लेख खान एट अल द्वारा 1993 के एप्लाइड फिजिक्स लेटर्स लेख में है। बाद में, 2004 में, पी.डी. ये. और बी. यांग एट अल ने एक जीएएन (गैलियम नाइट्राइड) मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर ( धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक) HEMT (MOS-HEMT) का प्रदर्शन किया। इसमें गेट डाइइलेक्ट्रिक और सतह निष्क्रियता दोनों के लिए परमाणु परत के बयान ( एटॉमिक लेयर डिपोजिशन ) (ALD) एल्यूमीनियम ऑक्साइड (Al2O3) फिल्म का इस्तेमाल किया गया।

वैचारिक विश्लेषण
HEMT हेटेरोजंक्शन हैं। इसका मतलब यह है कि इस्तेमाल किए गए अर्धचालकों में अलग-अलग बैंड अंतराल होते हैं। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन में 1.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) का बैंड अंतराल होता है, जबकि जर्मेनियम में 0.67 eV का बैंड अंतराल होता है। जब एक हेटेरोजंक्शन बनता है, तो चालन बैंड और वैलेंस बैंड को पूरे सामग्री में एक निरंतर स्तर बनाने के लिए बेन्ड होना चाहिए।

HEMTs की असाधारण कैरियर मोबिलिटी और स्विचिंग स्पीड निम्नलिखित स्थितियों से आती है, जब वाइड बैंड तत्व को दाता परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है, तो इस प्रकार इसके चालन बैंड में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं। कम ऊर्जा वाली अवस्था की उपलब्धता के कारण ये इलेक्ट्रॉन आसन्न संकीर्ण बैंड सामग्री के चालन बैंड में फैल जाएंगे। ये इलेक्ट्रॉनों की गति क्षमता में परिवर्तन का कारण बनेगी और इस प्रकार सामग्री के बीच एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होगा। विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को वाइड बैंड तत्व के चालन बैंड में वापस धकेल देगा। प्रसार प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक कि इलेक्ट्रॉन प्रसार और इलेक्ट्रॉन बहाव एक-दूसरे को संतुलित नहीं कर लेते और एक पी -एन जंक्शन के समान संतुलन में एक जंक्शन बनाते हैं। ध्यान दें कि अब अनडॉप्ड संकीर्ण बैंड गैप सामग्री में अधिक बहुसंख्यक चार्ज वाहक हैं। तथ्य यह है कि चार्ज वाहक बहुसंख्यक वाहक हैं और उच्च स्विचिंग गति उत्पन्न करते हैं व कम बैंड गैप अर्धचालक अनडॉप्ड है इसका मतलब है कि स्कैटरिंग का कारण बनने के लिए कोई दाता परमाणु नहीं हैं और इस प्रकार उच्च गतिशीलता प्राप्त होती है।

HEMTs का एक महत्वपूर्ण पहलू यह है कि चालन और वैलेंस बैंड में बैंड विच्छेदन को अलग से संशोधित किया जा सकता है। यह उपकरण के अंदर और बाहर वाहक के प्रकार को नियंत्रित करने की अनुमति देता है। चूंकि HEMTs को मुख्य वाहक होने के लिए इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है, इसलिए एक ग्रेडेड डोपिंग को एक सामग्री में से किसी एक में लागू किया जा सकता है। इस प्रकार चालन बैंड असंततता को छोटा कर देता है और वैलेंस बैंड असंततता को समान रखता है। वाहक के इस प्रसार से संकीर्ण बैंड गैप सामग्री के अंदर दो क्षेत्रों की सीमा के साथ इलेक्ट्रॉनों के संचय की ओर जाता है। इन उपकरणों में इलेक्ट्रॉनों के संचय से बहुत अधिक धारा प्रवाहित होती है। संचित इलेक्ट्रॉनों को  2DEG या दो-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस के रूप में भी जाना जाता है।

शब्द मॉड्यूलेशन डोपिंग इस तथ्य को संदर्भित करता है कि डोपेंट वर्तमान में ले जाने वाले इलेक्ट्रॉनों से एक अलग क्षेत्र में स्थानिक रूप से होते हैं। इस तकनीक का आविष्कार होर्स्ट स्टॉमर द्वारा बेल लैब्स पर किया गया था।

व्याख्या
चालन की अनुमति देने के लिए, अर्धचालकों को अशुद्धियों के साथ डोप किया जाता है। जो गतिशील इलेक्ट्रॉनों या  छेद ( होल्स ) को दान करते हैं। हालांकि, इन इलेक्ट्रॉनों को पहले स्थान पर उत्पन्न करने के लिए उपयोग की जाने वाली अशुद्धियों ( डोपेंट्स ) के साथ टकराव के माध्यम से धीमा कर दिया जाता है। HEMTs उच्च गतिशीलता इलेक्ट्रॉनों के उपयोग के माध्यम से इससे बचते हैं, जो एक उच्च डोप्ड विस्तृत ( वाइड) - बैंडगैप एन-टाइप डोनर-सप्लाई लेयर ( उदाहरण के लिए एल्युमिनियम गैलियम आर्सेनाइड (AlGaAs)) और एक गैर-डोप्ड संकीर्ण-बैंडगैप चैनल परत के साथ बिना किसी डोपेंट अशुद्धियों के साथ उत्पन्न होते हैं (इस मामले में GaAs)।

पतली n-प्रकार की AlGaAs परत में उत्पन्न इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से GaAs परत में गिरते हैं और एक क्षीण AlGaAs परत बनाते हैं, क्योंकि विभिन्न बैंड-गैप सामग्रियों द्वारा निर्मित हेटेरोजंक्शन GaAs पृष्ठ पर चालन बैंड में एक क्वांटम वेल ( एक स्टीप कैनियन ) बनाता है। जहां इलेक्ट्रॉन बिना किसी अशुद्धता के टकराए जल्दी से आगे बढ़ सकते हैं, क्योंकि GaAs परत अनडॉप्ड है जिससे वे बच नहीं सकते हैं। इसका प्रभाव बहुत उच्च सांद्रता वाले अत्यधिक मोबाइल संवाहक इलेक्ट्रॉनों की एक बहुत पतली परत बनाना है, जिससे चैनल को बहुत कम प्रतिरोधकता या इसे दूसरे तरीके से कहें तो "उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता" मिलती है।

इलेक्ट्रोस्टैटिक तंत्र ( मेकैनिज्म )
चूंकि GAAS में इलेक्ट्रॉन बंधुता अधिक है, इसलिए AlGaAs परत में मुक्त इलेक्ट्रॉनों को अनडॉप्ड GAAS परत में स्थानांतरित किया जाता है, जहां वे अंतराफलक ( इंटरफ़ेस  के 100 एंगस्ट्रॉम (10 NM ) के अंदर दो आयामी उच्च गतिशीलता इलेक्ट्रॉन गैस बनाते हैं। HEMT की N- प्रकार की AlGaAs परत पूरी तरह से दो रिक्तीकरण तंत्रों के माध्यम से समाप्त हो जाती है।
 * सतही अवस्थाओं द्वारा मुक्त इलेक्ट्रॉनों के फंसने से सतह का ह्रास होता है।
 * अनडॉप्ड GaAs परत में इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण इंटरफ़ेस में कमी लाता है।

गेट मेटल का फर्मी स्तर फर्मी स्तर  पिनिंग पॉइंट से मेल खाता है, जो चालन बैंड के नीचे 1.2  ईवी है। कम हुई AlGaAs परत की मोटाई के साथ, AlGaAs परत में दाताओं द्वारा आपूर्ति किए गए इलेक्ट्रॉन परत को पिन करने के लिए अपर्याप्त हैं। परिणामत:, बैंड बेंडिंग ऊपर की ओर बढ़ रही है और द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस दिखाई नहीं देती है। जब गेट पर थ्रेशोल्ड वोल्टेज से अधिक धनात्मक वोल्टेज लगाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन इंटरफेस पर जमा हो जाते हैं और द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस बनाते हैं।

निर्माण
MODFETs का निर्माण एक तनावपूर्ण SIGE परत के एपिटैक्सियल ग्रोथ द्वारा किया जा सकता है। तनावपूर्ण परत में, जर्मेनियम सामग्री रैखिक रूप से लगभग 40-50% तक बढ़ जाती है। जर्मेनियम की यह सांद्रता एक उच्च चालन बैंड ऑफसेट और बहुत गतिशील चार्ज वाहक के उच्च घनत्व के साथ क्वांटम वेल संरचना के गठन की अनुमति देती है। अंतिम परिणाम अल्ट्रा-हाई स्विचिंग स्पीड और कम शोर के साथ एक एफईटी (FET) है। INGAAS / ALGAAS, ALGAN / INGAN और अन्य यौगिकों का उपयोग SIGE के स्थान पर भी किया जाता है। INP और GAN अपनी बेहतर ध्वनि और बिजली अनुपात के कारण MODFET में आधार सामग्री के रूप में SIGE को बदलना शुरू कर देते हैं।

विकास प्रौद्योगिकी द्वारा: Phemt और Mhemt
आदर्श रूप से, एक हेटेरोजंक्शन के लिए उपयोग की जाने वाली दो अलग-अलग सामग्रियों में एक ही जाली स्थिरांक ( परमाणुओं के बीच अंतर ) होगा। अभ्यास में, लैटिस्‌ स्थिरांक आमतौर पर थोड़ा अलग होते हैं ( जैसे GaAs पर AlGaAs ), जिसमें परिणामस्वरूप क्रिस्टल दोष होते हैं। एक सादृश्य के रूप में, दो प्लास्टिक कंघो ( कॉम्ब्स ) को एक साथ थोड़ा अलग अंतर के साथ धकेलने की कल्पना करें। नियमित अंतराल पर, आप देखेंगे कि दो दांत परस्पर टकराते हैं। अर्धचालकों में, ये असंतुलन गहरे स्तर के डीप-लेवल ट्रैप बनाते हैं और उपकरण के प्रदर्शन को बहुत कम करते हैं।

एक HEMT, जहां इस नियम का उल्लंघन किया जाता है उसे phemt या स्यूडोमोर्फिक HMET कहा जाता है। यह सामग्री में से एक की एक अत्यंत पतली परत का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है, इतना पतला कि क्रिस्टल जाली अन्य सामग्री को फिट करने के लिए फैल जाती है। यह तकनीक ट्रांजिस्टर के निर्माण को बड़े बैंडगैप अंतर के साथ संभव बनाती है, जिससे उन्हें बेहतर प्रदर्शन मिलता है।

विभिन्न लैटिस्‌ स्थिरांक की सामग्री का उपयोग करने का दूसरा तरीका उनके बीच एक प्रतिरोधी ( बफर ) परत रखना है। यह mHEMT या मेटामॉर्फिक HEMT में किया जाता है जो pHEMT की वृद्धि है। प्रतिरोधी परत AlInAs से बनी होती है, जिसमें इंडियम सांद्रता को वर्गीकृत किया जाता है ताकि यह GaAs सब्सट्रेट और GaInAs चैनल दोनों के लैटिस्‌ स्थिरांक से मेल खा सके। यह अनुकूल परिस्थिति लाता है कि व्यावहारिक रूप से चैनल में किसी भी इंडियम एकाग्रता को महसूस किया जा सकता है, इसलिए उपकरणों को विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है ( कम इंडियम एकाग्रता कम शोर व उच्च इंडियम एकाग्रता उच्च    लाभ  प्रदान करता है )।

विद्युत व्यवहार द्वारा: eHEMT और dHEMT
अर्धचालक हेटेरो-इंटरफेस से बने HEMTs में इंटरफेसियल नेट पोलराइजेशन चार्ज की कमी होती है, जैसे कि AlGaAs / GaAs, को गेट की ओर इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करने के लिए AlGaAs बैरियर में धनात्मक गेट वोल्टेज या उपयुक्त डोनर-डोपिंग की आवश्यकता होती है, जो 2डी इलेक्ट्रॉन गैस बनाता है और इलेक्ट्रॉन धाराओं के चालन को सक्षम बनाता है। यह व्यवहार एन्हांसमेंट मोड में आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले फ़ील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर के समान है और ऐसे उपकरण को वृद्धि ( एन्हांसमेंट ) HEMT, या ehemt कहा जाता है।

जब एक HEMT को ALGAN / GAN से बनाया जाता है, तो उच्च शक्ति घनत्व और ब्रेकडाउन वोल्टेज प्राप्त किया जा सकता है। नाइट्राइड्स में कम समरूपता के साथ अलग-अलग क्रिस्टल संरचना होती है, अर्थात् एक  Wurtzite, जिसमें अंतर्निहित विद्युत ध्रुवीकरण होता है। क्योंकि यह ध्रुवीकरण  GAN चैनल लेयर और  Algan बैरियर लेयर के बीच भिन्न होता है, 0.01-0.03 C/m² के क्रम में असम्पीडित चार्ज की एक शीट बनती है। क्रिस्टल ओरिएंटेशन के कारण सामान्यत: एपिटैक्सियल ग्रोथ (गैलियम-फेस) के लिए उपयोग किया जाता है और यंत्र ( डिवाइस ) ज्यामिति फैब्रिकेशन ( गेट ऑन टॉप ) के लिए अनुकूल है। यह चार्ज शीट धनात्मक है, जिससे 2 डी इलेक्ट्रॉन गैस बनती है भले ही कोई डोपिंग न हो। इस तरह के ट्रांजिस्टर सामान्य रूप से चालू होते हैं, और केवल तभी बंद होगा, जब गेट नकारात्मक रूप से बाइस्ड हो। इस प्रकार के HEMT को रिक्त HEMT, या dHEMT के रूप में जाना जाता है। स्वीकारकर्ताओं (जैसे   mg ) के साथ बाधा के पर्याप्त डोपिंग द्वारा, बिल्ट-इन चार्ज को अधिक परम्परागत eHEMT ऑपरेशन को बहाल करने के लिए आपूर्ति की जाती है, हालांकि चैनल में डोपेंट प्रसार के कारण नाइट्राइड्स का उच्च-घनत्व पी-डोपिंग में तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है।

प्रेरित HEMT
मॉड्यूलेशन-डॉप्ड HEMT के विपरीत, एक प्रेरित उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर एक शीर्ष गेट के साथ विभिन्न इलेक्ट्रॉन घनत्व को ट्यून करने के लिए लचीलापन प्रदान करता है क्योंकि चार्ज वाहक डोपेंट्स द्वारा बनाए गए 2deg विमान से प्रेरित होते हैं। एक डोप की गई परत की अनुपस्थिति उनके मॉड्यूलेशन-डॉप्ड समकक्षों की तुलना में इलेक्ट्रॉन की गतिशीलता को काफी बढ़ाती है। स्वच्छता का यह स्तर क्वांटम अव्यवस्था अध्ययन, या अल्ट्रा स्थिर और अति संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में अनुप्रयोगों के लिए  क्वांटम बिलियर्ड के क्षेत्र में अनुसंधान करने के अवसर प्रदान करता है।

अनुप्रयोग
अनुप्रयोग ( जैसे GaAs पर AlGaAs के लिए ) MESFET के समान हैं S- माइक्रोवेव और मिलीमीटर वेव संचार, इमेजिंग, रडार और रेडियो खगोल विज्ञान , कोई भी अनुप्रयोग जहां उच्च आवृत्तियों पर उच्च लाभ और निम्न ध्वनि की आवश्यकता होती है। HEMTs ने 600 गीगाहर्ट्ज़ से अधिक आवृत्तियों के लिए धारा वृद्धि और 1 THz से अधिक आवृत्तियों के लिए विद्युत वृद्धि दिखायी है। ( हेटेरोजंक्शन बाइपोलर ट्रांजिस्टर को अप्रैल 2005 में 600 गीगाहर्ट्ज़ से अधिक का धारा लाभ आवृत्तियों पर प्रदर्शित किया गया था।) दुनिया भर में कई कंपनियां HEMT-आधारित उपकरणों का विकास और निर्माण करती हैं। ये असतत ट्रांजिस्टर हो सकते हैं लेकिन ये सामान्यत: 'मोनोलिथिक माइक्रोवेव इंटीग्रेटेड सर्किट' (एमएमआईसी) के रूप में होते हैं। HEMTs कई प्रकार के उपकरणों में पाए जाते हैं जिनमें सेलफोन और  DBS रिसीवर से लेकर इलेक्ट्रॉनिक वारफेयर प्रणाली जैसे रडार और रेडियो एस्ट्रोनॉमी तक शामिल हैं।

इसके अलावा, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर गैलियम नाइट्राइड HEMTs का उपयोग वोल्टेज कनवर्टर अनुप्रयोगों के लिए पावर स्विचिंग ट्रांजिस्टर के रूप में किया जाता है। सिलिकॉन पावर ट्रांजिस्टर की तुलना में गैलियम नाइट्राइड HEMTs में व्यापक बैंडगैप गुणों के कारण कम ऑन-स्टेट प्रतिरोध और स्विचिंग हानि switching loss होते हैं। गैलियम नाइट्राइड पावर HEMTs व्यावसायिक रूप से 200 वोल्ट-600 वोल्ट के वोल्टेज तक उपलब्ध हैं।

यह भी देखें
हेटेरोजंक्शन द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर का उपयोग गीगाहर्ट्ज़ अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है।
 * Heterojunction bipolar transistor

बाहरी संबंध ( लिंक्स )

 * Modulation-doped FET

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