一文详细了解高电子迁移率晶体管

HEMT（High Electron Mobility Transistor），高电子迁移率晶体管。这是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等.

这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。

因为一般的场效应集成电路为了达到超高频、超高速，必须要减短信号传输的延迟时间τd ∝ CL/(μnVm)和减小器件的开关能量(使IC不致因发热而损坏)E = ( Pd τd )≈CLVm2/2，而这些要求在对逻辑电压摆幅Vm的选取上是矛盾的，因此难以实现超高频、超高速；解决的一个办法就是，首先适当降低逻辑电压摆幅, 以适应IC稳定工作的需要，而要缩短τd 则主要是着眼于提高电子的迁移率μn，这就发展出了HEMT。

HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结。高迁移率的二维电子气（2-DEG）存在于调制掺杂的异质结中，这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”，则HEMT有很好的低温性能, 可用于低温研究工作 (如分数量子Hall效应) 中。

HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流。对于GaAs体系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的 (厚度一般为数百nm, 掺杂浓度为107~108 /cm3)。若n-AlxGa1-xAs层厚度较大、掺杂浓度又高，则在Vg =0 时就存在有2-DEG, 为耗尽型器件，反之则为增强型器件( Vg=0时Schottky耗尽层即延伸到i-GaAs层内部)；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高, 则工作时就不能耗尽, 而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。总之，对于HEMT，主要是要控制好宽禁带半导体层——控制层的掺杂浓度和厚度，特别是厚度。

①对于长沟道HEMT，其中电子的漂移速度vd不饱和，而且与沟道电场E(y)有关，即有 vd= μE(y) 。则通过宽度是W的沟道的电流为IDS = q W Ns(y) μE(y)= Wμ[ε’ε0 / (d +Δd )]·[Vgs－VT－V(y)]·(dV(y)/dy)，

从源端积分到漏端( y = 0→L ), 就得到HEMT的I-V特性：Ids = μ(W/L) [ε’εo/(d +Δd )]·[(Vgs－VT)Vds－(Vds2)/2].

相应地可求出HEMT的跨导为gm = μ(W/L) [ε’ε0 / (d +Δd )] Vds∝ Vds 。

当Vds增加到Vdsat = Vgs－VT 时, 沟道夹断, 即得到饱和电流：Idsat = μ(W/L) [ε’ε0 / 2(d +Δd )] (Vgs－VT)2 ,

饱和时的跨导则为 gm sat = μ(W/L) [ε’ε0 / (d +Δd )] (Vgs－VT) 。

②对于短沟道（L ≈1μm）的HEMT，漂移速度将饱和为vS，则饱和电流为

IDSat = q Ns0 vS W = vS W [ε’ε0 / (d +Δd )] (Vgs－VT) ∝(Vgs－VT)；

并且饱和跨导与电压无关： gm sat = vS W [ε’ε0 / (d +Δd )] 。

实际上, 对很短沟道的HEMT, 往往是高得多的瞬态漂移速度起着决定作用，从而有更高的饱和电流和饱和跨导。

对于极性很大的半导体异质结，那么情况将有所不同。譬如n+-AlGaN/i-GaN调制掺杂异质结，由于其中的高迁移率2-DEG主要是由极化效应而产生出来的，因此，即使在AlGaN控制层中不掺杂，也能够得到大量的2-DEG（可高达1013cm），这时的2-DEG面密度将主要决定于极化效应的强度.

　　审核编辑：汤梓红