高电子迁移率晶体管

高电子迁移率晶体管（HEMT），也被称为异质结构FET（HFET）或调制掺杂场效应晶体管（MODFET），是一种场效应晶体管包含具有不同的两种材料之间的结带隙（即异质）作为沟道而不是掺杂区（通常是MOSFET的情况）。常用的材料组合是GaAs与AlGaAs，尽管存在很大差异，但取决于设备的应用。包含更多铟的器件氮化镓 HEMT 通常具有更好的高频性能，而近年来，由于其高功率性能而备受关注。像其他FET一样，高电子迁移率晶体管在集成电路中用作数字通断开关。FET也可以用作放大器，使用较小的电压作为控制信号来提供大量电流。FET独特的电流-电压特性使这两种用途成为可能。HEMT晶体管能够以比普通晶体管更高的频率工作，最高可达毫米波频率，并用于手机、卫星电视接收机、电压转换器和雷达设备。

高电子迁移率晶体管的优点是它们具有高增益，这使其可用作放大器。高开关速度，这是因为MODFET中的主要电荷载流子为多数载流子，而少数载流子并未受到很大影响；以及极低的噪声值，因为与其他器件相比，这些器件的电流变化较小。

HEMT是异质结。这意味着所使用的半导体具有不同的带隙。例如，硅的带隙为1.1 电子伏特（eV），而锗的带隙为0.67 eV。当形成异质结时，整个材料的导带和价带必须弯曲以形成连续的能级。

HEMT出色的载流子迁移率和切换速度来自以下条件：宽带元素掺杂有施主原子；因此它的导带中有多余的电子。由于具有较低能量的状态的可用性，这些电子将扩散到相邻的窄带材料的导带。电子的运动将引起电势的变化，从而引起材料之间的电场的变化。电场会将电子推回到宽带元件的导带。扩散过程一直持续到电子扩散和电子漂移彼此平衡为止，在平衡状态下形成类似于pn结的结。注意，未掺杂的窄带隙材料现在具有过量的多数电荷载流子。电荷载流子是多数载流子的事实产生了高的开关速度，而低带隙半导体是未掺杂的这一事实意味着没有供体原子引起散射，因此产生了高迁移率。

HEMT的一个重要方面是，可以分别修改导带和价带的能带不连续性。这允许控制设备内外的载流子类型。由于HEMT需要电子作为主要载流子，因此可以在其中一种材料中应用渐变掺杂，从而使导带不连续性变小并保持价带不连续性不变。载流子的这种扩散导致电子沿着窄带隙材料内部的两个区域的边界积累。电子的积累导致这些设备中的电流非常大。累积的电子也称为2DEG或二维电子气。

为了允许导电，半导体中掺有杂质，这些杂质会贡献移动电子或空穴。但是，这些电子首先通过与用于生成它们的杂质（掺杂剂）碰撞而减慢了速度。HEMT通过使用高迁移率电子避免了这种情况，该电子是由高掺杂宽带隙n型施主供体供应层（在我们的示例中为AlGaAs）和无掺杂窄带隙沟道层的异质结产生的，该沟道层没有掺杂剂杂质（GaAs在这种情况下）。

在n型薄AlGaAs薄层中产生的电子完全掉入GaAs层中以形成耗尽的AlGaAs层，因为由不同带隙材料产生的异质结在GaAs的导带中形成了量子阱（陡峭的峡谷）由于GaAs层是未掺杂的，因此电子可以快速移动而不会与任何杂质发生碰撞的一面，并且电子也无法从其中逸出。这样的效果是创建了一个非常薄的高迁移率导电电子层，具有很高的浓度，使沟道的电阻率非常低（或者换句话说，就是“高电子迁移率”）。

由于GaAs具有较高的电子亲和力，因此AlGaAs层中的自由电子被转移到未掺杂的GaAs层中，在该层中，界面处100ngström（10 nm）内形成二维高迁移率电子气。HEMT的n型AlGaAs层通过两种耗尽机制被完全耗尽：

• 表面态俘获自由电子会导致表面耗尽。
• 电子转移到未掺杂的GaAs层中会导致界面耗尽。

栅极金属的费米能级与钉扎点匹配，钉扎点比导带低1.2 eV。在减小的AlGaAs层厚度的情况下，由AlGaAs层中的施主提供的电子不足以钉扎该层。结果，带弯曲向上移动并且没有出现二维电子气。当将大于阈值电压的正电压施加到栅极时，电子在界面处累积并形成二维电子气。

可以通过外延生长应变SiGe层来制造MODFET 。在应变层中，锗含量线性增加至约40-50％。锗的这种浓度允许形成具有高导带偏移和高密度的非常易移动的电荷载流子的量子阱结构。最终结果是具有超高开关速度和低噪声的FET。InGaAs / AlGaAs，AlGaN / InGaN，也可以使用其他化合物代替SiGe。由于InP和GaN具有更好的噪声和功率比，它们开始取代SiGe作为MODFET的基础材料。

高电子迁移率晶体管应用与MESFET的应用类似- 微波和毫米波通信、成像、雷达和射电天文学 -需要在高频下实现高增益和低噪声的任何应用。HEMT已显示出频率大于600 GHz的电流增益和频率大于1 THz的功率增益。全球许多公司开发和制造基于HEMT的器件。这些可以是分立的晶体管，但通常采用“单片微波集成电路”的形式（MMIC）。从手机和DBS接收器到雷达等电子战系统以及射电天文学， 高电子迁移率晶体管出现在许多类型的设备中。

此外，硅基板上的氮化镓HEMT用作电压转换器应用的功率开关晶体管。与硅功率晶体管相比，氮化镓HEMT具有较低的导通态电阻，并且由于具有宽的带隙特性而具有较低的开关损耗。氮化镓功率HEMT的市售电压高达200 V-600V。