الترانزستور ج20 ترانزستورات HEMTs ج1

تعرفنا في مقالات سابقة عن عنصرين من عائلة ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي وهما ترانزستورات MOSFET وJFET، سنكمل اليوم مشوارنا ونتحدث عن عضو آخر من أعضاء هذه العائلة .. فمن هو؟

متابعة مفيدة وممتعة..

-----------------------------------

تستطيع هذه الترانزستورات العمل ضمن حزمة الترددات العالية جداً، والتعامل مع التيارات المتناوبة. وتعمل هذه الترانزستورات بضجيج منخفض عند الترددات الميكروية العالية. ولذلك تستخدم في نطاق الترددات الراديوية التي تتطلب أداءً عالياً عند ترددات راديوية عالية جداً.[1]

تطور ترانزستورات الحركة العالية للإلكترون:

استغرق تطوير ترانزستورات HEMTs عدة سنوات، فبعد ظهور النوع الأساسي لترانزستورات تأثير الحقل كعنصر الكتروني أساسي ظهرت ترانزستورات HEMTs.

تم البحث في خواص هذه الترانزستورات في النقل لأول مرة في 1969 ولكن لم يتوفر أول ترانزستور إلا في عام 1980 في أجهزة الأمواج الراديوية المطورة آنذاك، لكن وبسبب سعرها المرتفع كان استخدامها محدوداً، أما الآن وبسبب الانخفاض في الأسعار أصبح استخدامها أوسع حيث يمكن أن نجدها في أجهزة الاتصالات، وفي مجموعة متنوعة من أجهزة اتصالات الأمواج الراديوية والوصلات الميكروية والتطبيقات الراديوية الأخرى.

بُنية هذه الترانزستورات:

تتضمن ترانزستورات HEMTs عنصراً أساسياً وهو وصلة PN خاصة يطلق عليها اسم الوصلة الهجينة والتي تستخدم مواداً مختلفة على طرفيها، تتضمن هذه الوصلة الهجينة مادتين مختلفتين (على الأقل) من أنصاف النواقل تترابطان بشكل وثيق، ولعل أكثر هذه المواد استخداماً هو الألومينيوم غاليوم أرسينيد AlGaAs مع الغاليوم أرسينيد GaAs، ونلاحظ عادة أن هذا النوع من الترانزستورات لا يستخدم السيليكون بسبب الحركية المنخفضة لالكتروناته.

تتولد في هذه الترانزستورات فجوة في حزمة الطاقة عند تفاعل مادتين نصف ناقلتين وذلك بسبب فجوات الطاقة المختلفة والمتطابقة مع بعضها البعض. [2]

تتم الإشارة إلى الانقطاع من خلال الإزاحة في حزمة الناقلية ΔEc والإزاحة في حزمة التكافؤ ΔEv. وباختيار المواد والمركبات المناسبة يمكن أن تعطي إزاحة حزمة الناقلية conduction band offset شكل مثلث يملك إمكانيات كبيرة لحجز الالكترونات ضمن الاتجاه الأفقي، حيث تكون الالكترونات قادرة على الحركة ضمن جهتين متوازيتين مع الواجهة الهجينة ولذا يطلق على هذه الالكترونات اسم " غاز الكتروني ثنائي الاتجاه 2DEG Two-dimensional electron gas".

ولتحديد الشكل الدقيق لحزمة التكافؤ وحزمة الناقلية، يجب أن نحل معادلات شرودنغر و بواسون.[2]

يبين المخطط التالي تشكل الغاز الالكتروني ثنائي الاتجاه:

يستخدم الغاليوم أرسينيد GaAs بشكل كبير لأنه يوفر سرعة حركية عالية للإلكترونات وهو أمر مهم جداً من أجل عمل الجهاز.

توجد مجموعة مختلفة من البُنى المستخدمة في ترانزستورات الحركية العالية للإلكترونات ولكنها جميعها تستخدم عمليات التصنيع الأساسية نفسها.

فعند تصنيع ترانزستورات HEMTs: [1]

• يتم أولاً وضع الطبقة الأساسية من الغاليوم أرسينيد فوق طبقة نصف عازلة من الغاليوم أرسينيد وهذه الطبقة سماكتها ميكرون واحد فقط.

• ثم توجد طبقة بسماكة واحد ميكرون.

• الطبقة التالية هي طبقة رقيقة جداً (30 -60 أنغستروم) من الألمنيوم غاليوم أرسينيد AlGaAs تتوضع فوق الطبقة السابقة، مهمة هذه الطبقة هي ضمان فصل واجهة الوصلة الهجينة عن منطقة ألمنيوم غاليوم أرسينيد المُنَشِطة، وهذا أساسي من أجل تحقيق الحركية العالية للإلكترون.

• تتوضع الطبقة المُنَشِطة من ألمنيوم غاليوم أرسينيد AlGaAs فوق الطبقة السابقة وبسماكة 500 أنغستروم، ويجب مراقبة والتحكم بِسماكة هذه الطبقة من خلال تقنيات خاصة.

توجد بُنيتان أساسيتان تستخدمان في هذه الترانزستورات هما: بُنية الأيونات المصقولة المُنحازة ذاتياً self-aligned ion implanted structure وبُنية البوابة المتراجعة recess gate structure.

تُصنع (البوابة، المصرف والمنبع) في بُنية الأيونات المصقولة المنحازة ذاتياً من المعادن، على الرغم من أنه في بعض الأحيان يكون المصرف والمنبع مصنوعان من الجرمانيوم، والبوابة مصنوعة من التيتانيوم وتُشَكِل انحيازاً عكسياً للوصلة مشابه ل GaAsFET. [1]

أما في بُنية البوابة المتراجعة فتوجد طبقة أخرى من غاليوم أرسينيد ذو النمط n لِتُمَكِن الاتصال بين المنبع والمصرف. تعتبر السماكة تحت البوابة مهمة جداً حيث تحدد توتر الانحياز لترانزستورات FET. وبسبب أنَّ مقاس البوابة صغير جداً حيث يبلغ 0.25 ميكرون فقط أو أقل تكون القناة صغيرة أيضاً، مما يسمح للترانزستور بأن يكون أداءه عال في التردد المرتفع. [1]

عمل ترانزستورات HEMT:

• تنتقل الإلكترونات من المنطقة السالبة (n-type) عبر شبكة كريستالية، ويبقى الكثير من الالكترونات قريباً من الوصلة الهجينة (hetero-junction).

• تكون الالكترونات ضمن طبقة سميكة واحدة تشكل ما يعرف بالغاز الالكتروني ثنائي الاتجاه 2DEG،

• تكون الالكترونات ضمن هذه الطبقة قادرة على الحركة بحرية لعدم وجود الكترونات مانحة أو عناصر أخرى تصطدم بها وأيضاً لأن حركة الإلكترونات ضمن الغاز عالية جداً.

• يتم تطبيق انحياز على بوابة هذه الترانزستورات من أجل تعديل عدد الالكترونات في القناة المتشكلة من 2DEG وللتحكم بناقلية الترانزستور.

• يمكن مقارنة هذا الأمر مع ترانزستورات FET التقليدية حيث يتغير عرض القناة عند انحياز البوابة.

سنتحدث عن نوعين من ترانزستورات HEMTs وهما: [2]

أولاً: ترانزستورات HEMTs من النوع إنديوم - فوسفور (InP):

مخطط لطبقات ترانزستورات InP:

• طبقة السيليكون δ النشيطة: هي طبقة نشيطة جداً تتضمن بعض الطبقات ذات الثخانة الذرية (طبقات رقيقة جداً). تتوضع بين جدار شوتكي والطبقة الفاصلة. تعمل كمانح لحاملات الشحنة، وتزود القناة بالإلكترونات.

حيث تميل الإلكترونات لتتوضع في الطبقة المنخفضة الطاقة، فتصُب الإلكترونات في العُنق المحتمل وتشكل 2DEG الذي يبقى محجوزاً في القناة.

تقوم هذه الطبقة بتزويد القناة بإلكترونات ذات كثافة عالية مما يؤدي لزيادة في (الناقلية، كثافة التيارات وترددات القطع).

• الطبقة الفاصلة: تضمن الفصل بين الإلكترونات والشحنات الموجبة للسيليكون المانح، وتقلل من انتشار الشوائب وبالتالي تؤدي لتعزيز حركة الإلكترون.

• طبقة الغطاء المنشطة سلباً: تساعد هذه الطبقة على تصغير مقاومة التلامس بين المنبع والمصرف، كما تؤمن حماية من الصدأ لطبقة InAlAs الحساسة الموجودة تحتها.

• طبقة حاجز شوتكي: على عكس المنبع الأومي والمصرف، تزود هذه الطبقة بما يسمى "تلامس شوتكي Shottky contact" بين معدن البوابة ومادة نصف الناقل مع إمكانيتها على التصحيح، وتؤمن أيضاُ تدفق تيار كبير بين أدنى نقطة للبوابة مع نهايات النفق إلى القناة.

• تمتلك مميزات القناة تأثيراً كبيراً على أداء الجهاز، لهذا تعد InGaAs أفضل مادة يتم استخدامها نظراً لخواص حركية الإلكترون العالية في الخلية وعند درجات الحرارة الباردة.

• يساعد الشكل T للبوابة على تقليل مقاومة البوابة من خلال توسيع المقطع العرضي والمحافظة على بصمة صغيرة وبالتالي المحافظة على طول بوابة صغير.

يبين الشكل التالي مقطع عرضي لترانزستورات HEMTs:

ثانياً: ترانزستورات HEMTs من نوع غاليوم نتريد (GaN):

مخطط لطبقات ترانزستورات GaN:

يعتمد هذا النوع على الوصلة الهجينة (GaN/AlGaN) بدلاً من استخدام ركائز InP تعتمد الركائز في هذا النوع على الياقوت الأزرق (Al2O3) أو كربيد السيليكون (SiC).

أنصاف النواقل هذه هي مواد ذات فجوات حزمة واسعة (3.4eV و 3.3ev) بينما في InP (1.3 ev) وبالتالي تملك حقول انهيار كهربائية مرتفعة، مما يسمح باستخدامها في تطبيقات جهود التغذية المرتفعة.

تستطيع هذه المادة أن تقاوم درجات حرارة العمل المرتفعة وتقدم تحسينات في الإشعاع radiation hardness.

بالمقارنة مع بنية ترانزستورات InP-HEMT نلاحظ أن الفروق الأساسية هي:

• لا تتطلب تنشيط طبقة الحاجز في AlGaN حيث تساعد حزمة الاستقطاب الموجودة على تحفيز غاز الالكترونات ثنائي الاتجاه 2DEG، وذلك بمساعدة الاستقطاب التلقائي واستقطاب العنصر الكهربائي الإجهادي.

• يمكن تحقيق كثافات عالية لغاز الالكترونات ثنائي الاتجاه تصل ل (10¹³/cm²) من خلال الانقطاع الكبير لفجوة الناقلية.

سنكمل في الجزء الثاني حديثنا عن هذه الترانزستورات لتناول أهم تطبيقاتها، تابعونا..

-----------------------------------------------------------------------------------

المراجع:

[1] هنا

[2] هنا