تعرفنا في المقال السابق على أحدث نوع من ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي وهي ترانزستورات حركة الإلكترون العالية وتحدثنا عن الأنواع التي يتضمنها.
في مقال اليوم سنتكلم عن صاحب التطبيقات المتنوعة والكثيرة والتي لم نستطع تضمينها جميعاً ضمن مقال واحد، ذو القدرة على التعامل مع الترددات والتوترات العالية.
ترانزستورات حركة الإلكترون العالية وتطبيقاتها المتنوعة.

تم تطوير ترانزستورات حركة الإلكترون العالية "HEMT" بدايةً من أجل التطبيقات ذات السرعة العالية. لكن بمجرد تصنيع أولى هذه الترانزستورات اكتشف العلماء أنها تمتاز أيضاً بنموذج ضجيج منخفض جداً، ويتعلق هذا بطبيعة غاز الإلكترونات ثنائية الاتجاه وحقيقة أنه يوجد تصادمات أقل بين الإلكترونات.
تُستخدم هذه الترانزستورات بشكل واسع كمُضَخِمات لإشارات الضجيج المنخفضة والصغيرة، وذلك نظراً لأدائها الذي يتضمن ضجيج. كما تستخدم في مُضَخِمات الطاقة، مؤشرات التذبذب والخلَّاطات التي تعمل عند ترددات تصل لأكثر من 60GHz مع احتمالية أن تَصل فيما بعد إلى ترددات 100GHz.
وتُستَخدم أيضاً في مجال واسع في تطبيقات الأمواج الراديوية كالاتصالات الخليوية، أجهزة استقبال البث المباشر، التحفيز العميق للدماغ الذي يعرف ب Deep Brain" "Stimulation أو "DBS”، الرادار، علم الفلك الراديوي بالإضافة إلى تطبيقات الأمواج الراديوية التي تحتاج للدمج بين الضجيج المنخفض والأداء عالي التردد.

يتم تصنيع هذه الترانزستورات من قبل عدة شركات مُصَنِعة لأجهزة أنصاف النواقل حول العالم. حيث يمكن أن تكون بشكل ترانزستورات مُنفَصِلة ولكن في الوقت الحالي عادة ما تكون مدموجة ضمن دارات مُتكامِلة.
تُستخدم شرائح الدارات المُتكامِلة ذات الألواح الميكروية المتناسقة "MMIC” بشكل واسع في تطبيقات تصميم الأمواج الراديوية، كما تُستَخدم لتأمين المستوى المطلوب من الأداء في العديد من المجالات. [1]

ترانزستورات PHEMT:
تُعتَبر ترانزستورات حركة الإلكترون العالية الشبه نحاسية "Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor" أو"PHEMT" من أحدث أنواع ترانزستورات"HEMTs"، تُستَخدم هذه الترانزستورات بشكل كبير في الاتصالات اللاسلكية وتطبيقات شبكات الاتصالات المحلية.
انتشر هذا النوع بشكل واسع بسبب طاقته العالية التي تعطي للضجيج المنخفض كفاءة وجودة في العمل والأداء. وكنتيجة لذلك، يتم استخدامه في جميع أنظمة اتصالات الأقمار الصناعية والتي تتضمن أنظمة البث المباشر للقنوات الفضائية "DBS-TV"، حيث يتم استخدامها في عُلَب الضجيج المنخفض المُستَعلمة في هوائيات الأقمار الصناعية.
بالإضافة لذلك تُستَخدم في أنظمة الأقمار الصناعية العامة مثل الرادار وأنظمة الاتصال الراديوية والميكروية، وتستخدم أيضاً في الدارات المتكاملة التناظرية والرقمية ذات السرعات الكبيرة والتي يكون فيها تجاوز السرعات أمراً مطلوباً. [1]

ترانزستورات HEMTs في التطبيقات ذات الترددات العالية: [2]
تتضمن الإلكترونيات تطبيقات قد تصل تردداتها إلى أكثر من 100GHz مثل الاستشعار الجوي، علم الفلك الراديوي، تطبيقات التصوير الخاملة، أنظمة الاتصالات عريضة الحزمة والدارات العددية والتناظرية ذات الأمواج الميليمترية.
أما ترانزستورات "InP-HEMT" فتُستَخدم بشكل واسع في دارات النطاق (D 110-150GHz) والنطاق(G 140-220GHz)، فَتَمَّ تحسين الأداء من خلال خفض طول البوابة إلى قيم من رتبة النانومتر وزيادة محتوى الإنديوم إلى أكثر من 80%، حيث يمكن الوصول لترددات قطع أعلى من 472GHz مع بوابة بطول 30 نانومتر.
يعتبر تردد القطع"fT" قيمة هامة بشكل خاص للدارات التناظرية، ولكن إنَّ تخفيض طول البوابة سيؤدي لوجود أثر قِصَر البوابة مما سيحُد من تردد التذبذب الأعظمي وأداء الأمواج الميكروية في هذه الدارات.
ولتجنب حدوث ذلك يجب تصميم البوابة بشكل صحيح بحيث يكون طول البوابة حوالي 100 نانومتر، بالإضافة لتحديد نسبة العرض إلى الارتفاع وذلك في المسافة بين البوابة والقناة، من أجل إبقاء البوابة مرتفعة ومنع حدوث القِصَر في القناة.

استخدام GaN-HEMT في تطبيقات الفضاء والراديو: [3]
تعتبر ترانزستورات"GaN-HEMT" من أفضل الاختيارات عندما نريد تصميم أجهزة تضخيم القوة ذات الأداء المرتفع "High Power Amplifier" أو"HPA"، حيث انتشرت التقنيات المعتمدة على "GaN" بشكل كبير في عدة تطبيقات متنوعة. وتتميز هذه الترانزستورات بعدة ميزات منها:
-كفاءة قوة أعلى: يؤدي ذلك لتقليل حجم وثمن مضخمات القوة ذات الأداء المرتفع " HPAs"، بالإضافة لتوفير استخدام القوة الكهربائية. وذلك بالاعتماد على الكمية القليلة من الحرارة المبعثرة.
-توتر عمل مرتفع: تعمل ترانزستورات "GaN-HEMT" بتوتر تغذية أكثر من 50 فولت، وهذا مشابه لمجال توتر مُغذيات القوة الذي يساوي 48 فولت، والمستخدم بكثرة في معدات الاتصالات.
كما يمكن استخدامها من أجل أي خرج مُعطى للقوة وأي توتر منبع، أما تيار التشغيل فيمكن تقليله عند المقارنة مع أي تقنيات أخرى.
-تعتبر مُضَخِمات قوة الترددات الراديوية عنصراً أساسياً في تطبيقات الفضاء مثل أنظمة اتصال الأقمار الصناعية، حيث تكون كفاءة القوة مطلوبة من أجل تخفيض ثمن انطلاق القمر الصناعي. حيث تُستَخدم مُضَخِمات النطاق"C" ضمن مجال الترددات (3.7GHz-4.2GHz) من أجل تحميل الأقمار الصناعية (SATELLITE DOWNLINKS).
- تُمَكِن فجوة نطاق "GaN" المباشرة وخلائطها، المواد لتستخدم في التطبيقات البصرية والإلكترونية. فعند درجة حرارة 300K تكون فجوة النطاق 3.44Ev التي تتطابق مع طول الموجة قرب منطقة الأشعة فوق البنفسجية للطيف المرئي، وهذا يتيح تصنيع الأجهزة البصرية عالية الطاقة مثل الليدات والليزر.

وبالإضافة لذلك يستخدم "GaN" في:
-المحطات اللاسلكية، ترانزستورات ترددات الطاقة الراديوية.
-الإشارات المتكاملة المختلطة، تكييف الطاقة.
-تُستَخدم أيضاً في تطبيقات التوتر العالي مثل مفاتيح التبديل وخطوط نقل الطاقة. [4]
في تطبيقات التوتر العالي يكون التوتر من رتبة ألف أو ألفي فولت، والتيار من رتبة عشرات الأمبيرات. ونظراً لصعوبة إنشاء اتصالات أومية في المواد ذات ثغرات النطاق الواسعة لا تعمل ترانزستورات "GaN-HEMT" في التوترات والتيارات المنخفضة جداً.
وتشمل تطبيقات التوتر العالي لهذا النوع من الترانزستورات مزودات الطاقة، محركات التحكم، أتمتة المصانع وجزء من الكترونيات السيارات. [5]
نأمل بأن نكون قد قمنا بشرح كاف بما يتعلق بهذا النوع من الترانزستورات من خلال الجزء الأول والثاني من هذا المقال.

صورة(1) مخطط المكونات في نظام المحرك.


Image: Syrian Researchers

صورة(2) مخطط نظام السواقة من رتبة الميغا واط.


Image: Syrian Researchers

لقراءة ترانزستورات HEMTs ج1 هنا

المراجع:
[1] هنا
[2] هنا
[3] هنا
[4] هنا
[5] هنا