उच्च-इलेक्ट्रॉन-मोबिलिटी ट्रांजिस्टर

HEMT-scheme-en.svg GAAS/ALGAAS  हेटेरोजंक्शन  -आधारित हेमट, संतुलन में। ]]

एक  उच्च-इलेक्ट्रॉन-मोबिलिटी ट्रांजिस्टर  ( हेम्ट ), जिसे  हेटरोस्ट्रक्चर फेट  ( hfet ) या  मॉड्यूलेशन-डॉप्ड FET  ( modfet ) के रूप में भी जाना जाता है, एक  फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर  है जिसमें एक शामिल है अलग -अलग   बैंड गैप  एस (यानी   हेटेरोजंक्शन ) के साथ दो सामग्रियों के बीच जंक्शन एक डोपेड क्षेत्र के बजाय चैनल के रूप में (जैसा कि आमतौर पर   एमओएसएफईटी  के लिए मामला है)। आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला सामग्री संयोजन    GAAS  है, जिसमें    ALGAAS  है, हालांकि डिवाइस के आवेदन पर निर्भर, व्यापक भिन्नता है। अधिक   इंडियम  को शामिल करने वाले उपकरण आम तौर पर बेहतर उच्च-आवृत्ति प्रदर्शन दिखाते हैं, जबकि हाल के वर्षों में,   गैलियम नाइट्राइड  हेम्स ने अपने उच्च-शक्ति प्रदर्शन के कारण ध्यान आकर्षित किया है। अन्य   एफईटी  एस की तरह, हेम्स 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 वर्तमान के लिए एम्पलीफायरों के रूप में भी उपयोग किया जा सकता है। इन दोनों उपयोगों को एफईटी के अद्वितीय   वर्तमान -वोल्टेज विशेषता  एस द्वारा संभव बनाया गया है। हेम ट्रांजिस्टर साधारण ट्रांजिस्टर की तुलना में उच्च आवृत्तियों पर संचालित करने में सक्षम हैं,   मिलीमीटर वेव  आवृत्तियों तक, और उच्च आवृत्ति वाले उत्पादों जैसे कि   सेल फोन  एस,   सैटेलाइट टेलीविजन  रिसीवर,   वोल्टेज कनवर्टर  एस, और और उपयोग किए जाते हैं, और   रडार  उपकरण। वे व्यापक रूप से उपग्रह रिसीवर में, कम बिजली एम्पलीफायरों में और रक्षा उद्योग में उपयोग किए जाते हैं।

लाभ
हेम्स के लाभ यह है कि उनके पास उच्च लाभ है, यह उन्हें एम्पलीफायरों के रूप में उपयोगी बनाता है;उच्च स्विचिंग गति, जो प्राप्त की जाती है क्योंकि MODFET में मुख्य चार्ज वाहक बहुसंख्यक वाहक हैं, और अल्पसंख्यक वाहक काफी शामिल नहीं हैं;और बेहद कम शोर मूल्य क्योंकि इन उपकरणों में वर्तमान भिन्नता अन्य की तुलना में कम है।

इतिहास
HEMT के लिए आधार  GAAS  (गैलियम आर्सेनाइड)   MOSFET  (मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) था, जो कि मिमुरा 1977 से मानक   सिलिकॉन  (SI) MOSFET के लिए एक विकल्प के रूप में शोध कर रहा था।उन्होंने स्प्रिंग 1979 में हेमट की कल्पना की, जब उन्होंने संयुक्त राज्य अमेरिका में   बेल लैब्स  में विकसित एक मॉड्यूलेटेड-डॉप्ड हेटेरोजंक्शन   सुपरलैटिस  के बारे में पढ़ा। रे डिंगल द्वारा,   आर्थर गोसार्ड  और   होर्स्ट स्टॉमर  जिन्होंने अप्रैल 1978 में   पेटेंट  दायर किया Mimura ने अगस्त 1979 में एक HEMT के लिए एक पेटेंट प्रकटीकरण दायर किया, और फिर उस वर्ष बाद में   पेटेंट  एक हेमट डिवाइस, डी-हेमट का पहला प्रदर्शन मई 1980 में मिमुरा और सतोशी हियामिज़ु द्वारा प्रस्तुत किया गया था, और फिर उन्होंने बाद में अगस्त 1980 में पहले ई-हेमट का प्रदर्शन किया।

स्वतंत्र रूप से, डैनियल डेलैजब्यूउडुफ और ट्रैंक लिन नुयेन ने फ्रांस में  थॉमसन-सीएसएफ  में काम करते हुए, मार्च 1979 में एक समान प्रकार के फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर के लिए एक पेटेंट दायर किया। यह एक प्रभाव के रूप में बेल लैब्स पेटेंट का हवाला देता है। अगस्त 1980 में एक उल्टे हेमट का पहला प्रदर्शन डेलाजब्यूउडुफ और नुयेन द्वारा प्रस्तुत किया गया था

एक गण-आधारित हेमट के शुरुआती उल्लेखों में से एक 1993 के  एप्लाइड फिजिक्स लेटर्स 'लेख में है, खान' 'एट अल'                        बाद में, 2004 में, पी.डी.ये और बी। यांग  एट अल  ने  जीएएन  (गैलियम नाइट्राइड)   मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर  हेमट (मोस-हेमट) का प्रदर्शन किया।इसने   परमाणु परत के बयान  (ALD)   एल्यूमीनियम ऑक्साइड  (Al <सब> 2 o <सब> 3 ) फिल्म का उपयोग किया, दोनों   गेट ढांकता हुआ  और   सतह पास होने के लिए

वैचारिक विश्लेषण
हेम्स  हेटेरोजंक्शन  एस हैं। इसका मतलब यह है कि उपयोग किए गए अर्धचालक में   बैंड गैप  एस का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन में 1.1   इलेक्ट्रॉन वोल्ट  एस (ईवी) का एक बैंड गैप है, जबकि जर्मेनियम में 0.67 ईवी का एक बैंड गैप है। जब एक हेटेरोजंक्शन बनता है, तो चालन बैंड और   वैलेंस बैंड  पूरे सामग्री में एक निरंतर स्तर बनाने के लिए झुकना चाहिए।

HEMTS की असाधारण   कैरियर मोबिलिटी  और स्विचिंग स्पीड निम्नलिखित स्थितियों से आती है: वाइड बैंड तत्व को दाता परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है; इस प्रकार इसके चालन बैंड में   इलेक्ट्रॉन  एस है। ये इलेक्ट्रॉन कम ऊर्जा वाले राज्यों की उपलब्धता के कारण आसन्न संकीर्ण बैंड सामग्री के चालन बैंड में फैल जाएंगे। इलेक्ट्रॉनों की आवाजाही क्षमता में बदलाव का कारण बनेगी और इस प्रकार सामग्री के बीच एक विद्युत क्षेत्र है। विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को विस्तृत 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 करते हैं,   पी -एन जंक्शन  के समान संतुलन में एक जंक्शन बनाते हैं। ध्यान दें कि अब संकीर्ण संकीर्ण बैंड गैप सामग्री में अधिक बहुमत चार्ज वाहक हैं। तथ्य यह है कि चार्ज वाहक बहुसंख्यक वाहक हैं, उच्च स्विचिंग गति पैदा करते हैं, और तथ्य यह है कि कम बैंड गैप सेमीकंडक्टर को अनटोप किया जाता है, इसका मतलब है कि बिखरने के लिए कोई दाता परमाणु नहीं हैं और इस तरह उच्च गतिशीलता पैदा करते हैं।

हेम्स का एक महत्वपूर्ण पहलू यह है कि चालन और वैलेंस बैंड में बैंड विच्छेदन को अलग से संशोधित किया जा सकता है। यह डिवाइस के अंदर और बाहर वाहक के प्रकार को नियंत्रित करने की अनुमति देता है। चूंकि हेम्स को मुख्य वाहक होने के लिए इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है, इसलिए एक ग्रेडेड डोपिंग को एक सामग्री में से एक में लागू किया जा सकता है, इस प्रकार चालन बैंड असंतोष को छोटा कर देता है और वैलेंस बैंड को असंतोष 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। इलेक्ट्रॉनों के संचय से इन उपकरणों में बहुत अधिक धारा होती है। संचित इलेक्ट्रॉनों को  2DEG  या दो-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस के रूप में भी जाना जाता है।

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

स्पष्टीकरण
चालन की अनुमति देने के लिए, अर्धचालकों को अशुद्धियों के साथ डोप किया जाता है जो मोबाइल इलेक्ट्रॉनों या   छेद  को दान करते हैं। हालांकि, इन इलेक्ट्रॉनों को पहले स्थान पर उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले अशुद्धियों (डोपेंट्स) के साथ टकराव के माध्यम से धीमा कर दिया जाता है। हेम्स उच्च गतिशीलता इलेक्ट्रॉनों के उपयोग के माध्यम से इससे बचते हैं जो एक उच्च डोपेड वाइड-बैंडगैप एन-टाइप डोनर-सप्लाई लेयर (हमारे उदाहरण में अल्गा) और एक गैर-डोपेड संकीर्ण-बैंडगैप चैनल परत के साथ बिना किसी डोपेंट अशुद्धियों के साथ उत्पन्न होते हैं। इस मामले में)।

पतले एन-प्रकार के अल्गा परत में उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को पूरी तरह से जीएएएस परत में गिरा दिया गया है ताकि एक अलग-अलग अलगास परत बनाई जा सके, क्योंकि विभिन्न बैंड-गैप सामग्री द्वारा बनाई गई हेटेरोजंक्शन एक  क्वांटम अच्छी तरह से  (एक खड़ी घाटी) बना GAAS पक्ष जहां इलेक्ट्रॉन किसी भी अशुद्धियों से टकराए बिना जल्दी से आगे बढ़ सकते हैं क्योंकि GAAS परत को अनटोप किया जाता है, और जिसमें से वे बच नहीं सकते हैं। इसका प्रभाव बहुत अधिक एकाग्रता के साथ अत्यधिक मोबाइल संचालन इलेक्ट्रॉनों की एक बहुत पतली परत बनाना है, जिससे चैनल को बहुत कम   प्रतिरोधकता  (या इसे दूसरे तरीके से, उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता) मिलती है।

इलेक्ट्रोस्टैटिक तंत्र
चूंकि GAAS में  इलेक्ट्रॉन आत्मीयता  अधिक है, इसलिए अलगास परत में मुक्त इलेक्ट्रॉनों को अनटोप्ड GAAS परत में स्थानांतरित किया जाता है, जहां वे इंटरफ़ेस के 100   gngström  (10    NM ) के भीतर दो आयामी उच्च गतिशीलता इलेक्ट्रॉन गैस बनाते हैं। HEMT की N- प्रकार का अल्गा परत पूरी तरह से दो कमी तंत्रों के माध्यम से समाप्त हो जाती है:
 * सतह राज्यों द्वारा मुक्त इलेक्ट्रॉनों के फंसने से सतह की कमी होती है।
 * अनडोपेड GAAS परत में इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण इंटरफ़ेस की कमी के बारे में लाता है।

गेट मेटल का  फर्मी स्तर  पिनिंग पॉइंट से मेल खाता है, जो कि चालन बैंड के नीचे 1.2    ईवी  है। कम Algaas परत की मोटाई के साथ, Algaas परत में दाताओं द्वारा आपूर्ति किए गए इलेक्ट्रॉनों परत को पिन करने के लिए अपर्याप्त हैं। नतीजतन, बैंड झुकना ऊपर की ओर बढ़ रहा है और द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉनों गैस दिखाई नहीं देती है। जब थ्रेशोल्ड वोल्टेज से अधिक एक सकारात्मक वोल्टेज गेट पर लागू होता है, तो इलेक्ट्रॉन इंटरफ़ेस में जमा होते हैं और एक दो-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस बनाते हैं।

निर्माण
MODFETS को  एपिटैक्सियल ग्रोथ  द्वारा एक तनावपूर्ण   SIGE  लेयर द्वारा निर्मित किया जा सकता है।तनावपूर्ण परत में,   जर्मेनियम  सामग्री रैखिक रूप से लगभग 40-50%तक बढ़ जाती है।जर्मेनियम की यह एकाग्रता एक उच्च   चालन बैंड  ऑफसेट और बहुत मोबाइल   चार्ज वाहक  एस के उच्च घनत्व के साथ   क्वांटम अच्छी तरह से  संरचना के गठन की अनुमति देती है।अंतिम परिणाम अल्ट्रा-हाई स्विचिंग स्पीड और कम शोर के साथ एक एफईटी है।  INGAAS  /  ALGAAS,    ALGAN  /  INGAN , और अन्य यौगिकों का उपयोग SIGE के स्थान पर भी किया जाता है।INP और GAN अपने बेहतर शोर और बिजली अनुपात के कारण MODFET में आधार सामग्री के रूप में SIGE को बदलना शुरू कर रहे 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 स्थिर  (परमाणुओं के बीच अंतर) होगा।व्यवहार में, जाली स्थिरांक आमतौर पर थोड़ा अलग होते हैं (जैसे कि GAAS पर अल्गा), जिसके परिणामस्वरूप क्रिस्टल दोष होते हैं।एक सादृश्य के रूप में, थोड़ा अलग रिक्ति के साथ दो प्लास्टिक कॉम्ब्स को एक साथ धकेलने की कल्पना करें।नियमित अंतराल पर, आप दो दांतों को एक साथ देखेंगे।अर्धचालकों में, ये असंतोष   डीप-लेवल ट्रैप  एस बनाते हैं और डिवाइस के प्रदर्शन को बहुत कम करते हैं।

एक हेमट जहां इस नियम का उल्लंघन किया जाता है, उसे  phemt  या  pseudomorphic  hemt 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 बस अन्य सामग्री को फिट करने के लिए फैला है।यह तकनीक  बैंडगैप  अंतर के साथ ट्रांजिस्टर के निर्माण की अनुमति देती है, अन्यथा संभव की तुलना में, उन्हें बेहतर प्रदर्शन देता है

विभिन्न जाली स्थिरांक की सामग्री का उपयोग करने का एक और तरीका उनके बीच एक बफर परत रखना है।यह  mhemt  या  मेटामॉर्फिक  हेमट में किया जाता है, जो कि फेमट की उन्नति है।बफर परत   एलिनास  से बना है, जिसमें इंडियम एकाग्रता वर्गीकृत है ताकि यह GAAS सब्सट्रेट और    GANAS  चैनल दोनों के जाली स्थिरांक से मेल खा सके।यह लाभ 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  प्रदान करता है; उच्च इंडियम एकाग्रता उच्च    लाभ )

विद्युत व्यवहार द्वारा: ehemt और dhemt
अर्धचालक हेटेरो-इंटरफेस से बने हेम्स जिसमें इंटरफैसियल नेट पोलराइजेशन चार्ज की कमी होती है, जैसे कि अल्गास/जीएएएस, को गेट की ओर इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करने के लिए अल्गास बैरियर में सकारात्मक गेट वोल्टेज या उपयुक्त दाता-डोपिंग की आवश्यकता होती है, जो 2 डी इलेक्ट्रॉन गैस बनाता है और चालन को सक्षम करता है।इलेक्ट्रॉन धाराएं।यह व्यवहार एन्हांसमेंट मोड में आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले फ़ील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर के समान है, और इस तरह के डिवाइस को एन्हांसमेंट हेमट, या  ehemt  कहा जाता है।

जब एक HEMT  ALGAN  /  GAN  से बनाया गया है, तो उच्च शक्ति घनत्व और ब्रेकडाउन वोल्टेज प्राप्त किया जा सकता है।नाइट्राइड्स में कम समरूपता के साथ अलग-अलग क्रिस्टल संरचना भी होती है, अर्थात्    Wurtzite  एक, जिसमें अंतर्निहित विद्युत ध्रुवीकरण होता है।चूंकि यह ध्रुवीकरण   GAN   चैनल  लेयर और   Algan   बैरियर  लेयर के बीच भिन्न होता है, 0.01-0.03 C/ के क्रम में असम्बद्ध चार्ज की एक शीट$$^2$$ बन गया है।क्रिस्टल ओरिएंटेशन के कारण आमतौर पर एपिटैक्सियल ग्रोथ (गैलियम-फेस) के लिए उपयोग किया जाता है और डिवाइस ज्यामिति फैब्रिकेशन (गेट ऑन टॉप) के लिए अनुकूल है, यह चार्ज शीट सकारात्मक है, जिससे 2 डी इलेक्ट्रॉन गैस बनती है, भले ही कोई डोपिंग न हो।इस तरह के एक ट्रांजिस्टर सामान्य रूप से चालू होते हैं, और केवल तभी बंद हो जाएगा जब गेट नकारात्मक रूप से पक्षपाती हो - इस प्रकार इस तरह के हेम को  कमी हेमट , या  dhemt  के रूप में जाना जाता है।स्वीकारकर्ताओं (जैसे    mg ) के साथ बाधा के पर्याप्त डोपिंग द्वारा, अंतर्निहित शुल्क को अधिक प्रथागत  ehemt  ऑपरेशन को बहाल करने के लिए मुआवजा दिया जा सकता है, हालांकि नाइट्राइड्स के उच्च घनत्व वाले पी-डोपिंग तकनीकी रूप से डोपेंट के कारण तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है।चैनल में प्रसार।

प्रेरित हेमट
एक मॉड्यूलेशन-डॉप्ड हेमट के विपरीत, एक प्रेरित उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर एक शीर्ष गेट के साथ विभिन्न इलेक्ट्रॉन घनत्वों 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 बिलियर्ड  के क्षेत्र में   क्वांटम अराजकता  अध्ययन के लिए अनुसंधान करने के अवसर प्रदान करता है, या अल्ट्रा स्थिर और अल्ट्रा संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में अनुप्रयोग

अनुप्रयोग
आवेदन (जैसे कि GAAS पर Algaas के लिए)  MESFET  S -   माइक्रोवेव  और   मिलीमीटर वेव     संचार, इमेजिंग,   रडार , और   रेडियो खगोल विज्ञान  -उच्च आवृत्तियों पर कम शोर की आवश्यकता होती है।HEMTS ने 600 & nbsp से अधिक आवृत्तियों के लिए वर्तमान लाभ दिखाया है; GHz और बिजली लाभ 1 thz से अधिक आवृत्तियों के लिए (  हेटेरोजंक्शन बाइपोलर ट्रांजिस्टर  एस को अप्रैल 2005 में 600 & nbsp; GHz से अधिक वर्तमान लाभ आवृत्तियों पर प्रदर्शित किया गया था।) कई कंपनियां दुनिया भर में HEMT- आधारित उपकरणों का विकास और निर्माण करती हैं।ये असतत ट्रांजिस्टर हो सकते हैं, लेकिन आमतौर पर 'मोनोलिथिक माइक्रोवेव इंटीग्रेटेड सर्किट' (  एमएमआईसी ) के रूप में अधिक होते हैं। HEMTs सेलफोन और   DBS  रिसीवर से लेकर   इलेक्ट्रॉनिक वारफेयर  सिस्टम जैसे   रडार  और   रेडियो एस्ट्रोनॉमी  के लिए कई प्रकार के उपकरणों में पाए जाते हैं।

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