Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: historia i współczesność, część 7. HEMT, HFET, MODFET i tranzystory GaAs

W poprzednim odcinku omawialiśmy mikrofalowe tranzystory dużej mocy. Opowieść zakończyliśmy na tym, że rozwinięciem i popularną dziś odmianą tranzystora MESFET jest HEMT – High Electron Mobility Transistor. Jego inna, nieco mniej strasząca nazwa to HFET (Heterostructure FET) oraz MODFET (Modulation-Doped FET).
Article Image

HEMT, podobnie jak MESFET, to tranzystor polowy zawierający w swej strukturze złącze Schottky’ego, a ponadto inne dodatkowe warstwy. Pierwszy tranzystor HEMT zademonstrowano w roku 1979. Wiązało się to z badaniami nad strukturami, w których występował tak zwany dwuwymiarowy gaz elektronowy (2-dimensional electron gas – w skrócie 2DEG).

Obecność tych specyficznych struktur z „bardzo szybkim” gazem elektronowym pozwala zdecydowanie zwiększyć szybkość tranzystorów. Najpierw były to tranzystory z GaAs/AlGaAs (ślady też można znaleźć na stronie http://www.northropgrumman.com). Potem w kanale dodano warstwę InGaAs. Powstały odmiany, zwane pHEMT (pseudomorphic HEMT), zawierające dodatkowe warstwy, przyspieszające ruch elektronów. W efekcie pHEMT teoretycznie mogą pracować przy częstotliwościach ok. 100GHz.

Rys.1 Tranzystor GaAs pHEMT - 10-watowy Freescale MRFG35010AR1

Przykładem tranzystora GaAs pHEMT mocy może być 10-watowy Freescale MRFG35010AR1 o napięciu maksymalnym 15V i typowym prądzie nasycenia 2,9A – rysunek 1.

Do tej pory dominują tranzystory HEMT normalnie otwarte (depletion mode) i klasyczne JFET-y. Jednak pojawiają się wersje normalnie zatkane (enhancement mode). Przykładem GaAs E-pHEMT (Enhancement Mode Pseudomorphic HEMT) jest AVAGO ATF-50189 – rysunek 2. Jest to w zasadzie JFET ze złączem Schottky’ego, a zachowuje się podobnie jak klasyczny MOSFET (o napięciu progowym UGSth typowo 0,38V), o czym świadczą choćby charakterystyki wyjściowe.

Rys.2 GaAs E-pHEMT (Enhancement Mode Pseudomorphic HEMT) - AVAGO ATF-50189

W zakresie bardzo wysokich częstotliwości wykorzystuje się też inne materiały półprzewodnikowe, w szczególności pierwiastki z grup trzeciej i piątej układu okresowego. I tak bipolarne tranzystory heterozłaczowe (HBT) można zrealizować z wykorzystaniem m.in. następujących zestawów półprzewodników: InGaAs/InP, InGaP/GaAs, AlInAs/InGaAs i InP/InGaAs.

Podobnie związki glinu (Al), galu (Ga), indu (In) z azotem (N), fosforem (P) i arsenem (As) są wykorzystywane do realizacji różnych odmian tranzystorów polowych FET. I tak na przykład fosforek indu (InP) pozwala wytworzyć tranzystory i wzmacniacze na zakres częstotliwości ponad 500GHz, jednak na razie mamy tylko wyniki laboratoryjnych eksperymentów, a nie rynkowe produkty. Na rynku dostępne są natomiast wzmacniacze zbudowane z InGaP. Przykładem może być NXP (Freescale) MMG3006NT1 – rysunek 3.

Jednak aktualnie najdynamiczniej rozwija się rynek wzmacniaczy wykonanych z azotku galu (GaN). Tranzystory HEMT GaN pojawiły się na rynku w latach 2004–2005, a prace nad nimi prowadzono już od wczesnych lat 90. Dużym krokiem naprzód było opracowane technologii wytwarzania warstw GaN na podłożu SiC (węglika krzemu).

Rys.3 InGaP - NXP (Freescale) MMG3006NT1

Na fotografii 4 pokazany jest mikrofalowy tranzystor mocy produkcji słynnej firmy Cree CGHV96100F2 o rozmiarach około 24 x 17,5 x 5mm. Moc strat wynosi ponad 100W, napięcie maksymalne 100V, maksymalny prąd pracy to 12A. Jest to GaN HEMT (na podłożu SiC), a więc w sumie tranzystor polowy FET normalnie otwarty. Zakres dopuszczalnych napięć bramki wynosi –10...+2V. Jak z tego widać, nawet przy napięciu +2V złącze bramkowe jeszcze nie przewodzi, bo napięcie przewodzenia diody GaN jest dużo wyższe niż krzemowej. Prąd nasycenia maksymalnie otwartego tranzystora IDS, typowo wynoszący 26A, określany jest właśnie przy napięciu UGS=+2V.

Fot.4 Mikrofalowy tranzystor mocy produkcji Cree CGHV96100F2

Rysunek 5 to fragmenty karty katalogowej Microsemi 0405SC-2200M. Jest to Silicon Carbide SIT, czyli odmiana tranzystora FET, zwana SIT (Static Induction Transistor). Tranzystor ten ma napięcie pracy do 250V, moc w impulsie ponad 2kW, a struktura z węglika krzemu może pracować w temperaturze nawet +250°C.

Rys.5 Fragmenty karty katalogowej Microsemi 0405SC-2200M

Postęp techniczny powoduje, że na rynku pojawiają się tranzystory mikrofalowe o coraz większej mocy.

Rysunek 6 pokazuje fragment strony internetowej Macom z opisem 500-watowego tranzystora mikrofalowego. Jest to tranzystor HEMT GaN-on-Si, czyli czynna struktura GaN jest umieszczona na podłożu krzemowym (Si). Co prawda zakres pracy to „tylko” 1,2...1,4GHz, ale moc jest imponująca (przy sprawności około 50% moc strat jest zbliżona do mocy wytwarzanego promieniowania).

Rys.6 Fragment strony internetowej Macom z opisem tranzystora mikrofalowego HEMT GaN-on-Si

Innym przykładem może być tranzystor HEMT GaN-on-SiC Integra IGN1300CW300 o mocy ciągłej 300W, przeznaczony do zastosowania w lotnictwie – rysunek 7. Tu struktura GaN umieszczona jest na podłożu z węglika krzemu (SiC).

Dla wielu osób „mikrofala” to synonim domowej kuchenki mikrofalowej. Wynalezione 50 lat temu kuchenki mikrofalowe wykorzystują mikrofalową lampę elektronową – magnetron. Ale dostępne dziś kilkusetwatowe tranzystory mikrofalowe pozwalają na realizację systemów suszenia, podgrzewania i gotowania z ich użyciem.

W ostatnich latach zaproponowano pierwsze prototypy domowych ulepszonych kuchenek mikrofalowych z półprzewodnikowym generatorem mikrofal. Ulepszenie to głównie możliwość precyzyjnego kształtowania i ukierunkowania grzejącej wiązki mikrofal. Jak na razie ceny potrzebnych półprzewodników uniemożliwiają ich upowszechnienie, ale według prognoz, za kilka lat półprzewodnikowe mikrofalówki zdominują rynek. Zainteresowani znajdą sporo materiałów, wpisując w wyszukiwarkę hasło: solid state microwave oven.

Rys.7 Tranzystor HEMT GaN-on-SiC Integra IGN1300CW300

Podsumowanie informacji na temat rodzajów tranzystorów

W dwóch ostatnich odcinkach zajmowaliśmy się mikrofalowymi tranzystorami mocy. Wiemy, że w niższych zakresach mikrofalowych, do kilku gigaherców, w miarę możliwości wykorzystuje się tranzystory Si, SiGe, Si-LDMOS, przede wszystkim z uwagi na ich cenę, znacząco niższą niż elementów z innych półprzewodników, w tym GaAs i GaN.

Pojedyncze tranzystory GaAs mogą pracować przy mocach do około 5W, co jest całkowicie i z zapasem wystarczające do telefonów komórkowych. Przy połączeniu równoległym uzyskiwane moce są dużo większe. Przy wyższych mocach i niezbyt dużych częstotliwościach trzeba zastosować tranzystory... krzemowe. Natomiast w wyższych zakresach mikrofalowych, od kilku do ponad 200GHz, niezastąpione są właśnie tranzystory wykonane z użyciem takich materiałów jak GaAs, SiC, a przede wszystkim GaN.

W elementach mikrofalowych węglik krzemu (SiC) jest częściej materiałem podłoża, a nie głównej struktury tranzystorów mikrofalowych dużej mocy – chodzi o tranzystory GaN-on-SiC. Jak na razie, rynek tranzystorów GaN jest mniejszy od rynku elementów GaAs, jednak dynamicznie rośnie, a ceny spadają. Oprócz pojedynczych tranzystorów bardzo wysokiej częstotliwości dostępne są też scalone wzmacniacze mikrofalowe (MMIC), wykonywane z różnych wymienionych materiałów, zwłaszcza z krzemu i z GaAs i innych, w rozmaitych kombinacjach.

Wszystkie te szybkie elementy znajdują zastosowanie głównie w telefonii komórkowej, która obejmuje zakres do 2,5GHz (z perspektywami rozszerzenia do 5GHz i wyżej), w szybkich sieciach komputerowych, odbiornikach satelitarnych (10...12GHz), w różnych urządzeniach radarowych oraz w rozmaitych urządzeniach wojskowych. Warto też dodać, że najnowsze elementy tuż po opracowaniu i wdrożeniu do produkcji, niestety, zawsze najpierw trafiają do sprzętu wojskowego, a dopiero po jakimś czasie stają się dostępne do innych zastosowań.

Nas przede wszystkim ciekawią najnowsze tranzystory przełączające, a właśnie omówione w dwóch ostatnich odcinkach tranzystory mikrofalowe doprowadziły do najbardziej nas interesujących i obiecujących materiałów, mianowicie węglika krzemu (SiC) i do azotku galu (GaN) oraz do najnowszych rozwiązań w konstrukcji tranzystorów. I dlatego w następnym odcinku przyjrzymy się najbardziej „gorącym”, „modnym” materiałom półprzewodnikowym, mianowicie SiC i GaN.

Tematyka materiału: HEMT, HFET, MODFET, tranzystory GaAs
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich lipiec 2019
Udostępnij
UK Logo