High Electron Mobility Transistor

High Electron Mobility Transistor

Der High Electron Mobility Transistor (HEMT, dt. »Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit«) ist eine spezielle Bauform des Feldeffekttransistors für sehr hohe Frequenzen und ist von der Konstruktion her eine spezielle Bauform eines JFETs.

Energiebandschema eines HEMT mit 2D-Elektronengas

Aufbau und Funktionsweise

Querschnitt eines InGaAs-PHEMT

Er besteht aus Schichten verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken (siehe Heterostruktur). Häufig wird das Materialsystem Aluminium-Gallium-Arsenid/Gallium-Arsenid (AlGaAs/GaAs) verwendet, wobei das AlGaAs hoch n-dotiert und das GaAs nicht dotiert wird. Da die Bandlücke des AlGaAs größer ist als die des GaAs, bildet sich an der Grenzfläche dieser beiden Materialien auf Seiten des GaAs ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) aus, das als leitfähiger Kanal dienen kann. Die Elektronenbeweglichkeit ist darin sehr hoch.


Weiter verbessert werden kann sie durch eine Modulationsdotierung des AlGaAs wie sie erstmals unter anderem von Horst Störmer vorgeschlagen wurde. Dadurch sinkt die Elektronenstreuung des 2DEG an geladenen Störstellen und führt somit zu einer weiteren Steigerung der Ladungsträgermobilität was Voraussetzung zur Entdeckung des fraktionierten Quanten-Hall-Effekts war (Nobelpreis 1998).

Das HEMT-Prinzip ist auch auf andere Materialsysteme wie InGaAs/InP/AlInAs, AlGaN/GaN und Si/SiGe anwendbar.

Gegenstand der aktuellen Forschung sind Materialkombinationen aus Gallium-Nitrid (GaN) und Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), das aufgrund seines vergleichsweise hohen Bandabstands eine höhere Betriebsspannung ermöglicht, bevor es zum Felddurchbruch kommt. Besonders für die Herstellung von Leistungstransistoren erweist sich diese Materialkombination als vorteilhaft, da die Ausgangsimpedanz bei gleicher Leistung steigt und somit die Auskopplung der Leistung vereinfacht wird (Anpassung). Auf Silizium-Carbid (SiC) abgeschieden, weist es zusätzlich ein geringeren thermischen Widerstand als GaAs-Materialkombinationen was sich positiv auf die maximale Verlustleistung bzw. Lebensdauer und Zuverlässigkeit auswirkt.

Anwendungsbereich

Der HEMT ist aufgrund der hohen Ladungsträgermobilität für Hochfrequenzanwendungen gut geeignet. Die Steuerung des Bauelementes erfolgt, ähnlich wie beim Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor, über ein Metall-Gate, das mit der n-AlGaAs-Schicht verbunden ist.


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