利用 HEMT 和 PHEMT 改善无线通信电路中的增益、速度和噪声

本文转载自： Cadence楷登PCB及封装资源中心

本文要点

高电子迁移率晶体管 (High electron mobility transistors ，HEMT) 和伪高电子迁移率晶体管 (pseudomorphic high electron mobility transistors ，PHEMT) 因其独特的、可提高性能的特点而大受欢迎

在 HEMT 结构中，高电子迁移率是由于掺杂的宽带半导体与未掺杂的窄带隙半导体并列在一起造成的

HEMT 和 PHEMT 常见于移动电话、卫星电视接收器、雷达和低噪声放大器。

用于无线通信放大器和转换器的有源器件需要具备高增益、高速度和低噪声的特点。当用于放大器和转换器的元件表现出这些增强的特性时，系统的性能会自动提升。

在毫米波频段的射频和微波通信系统中，高电子迁移率晶体管 (HEMT) 和伪高电子迁移率晶体管 (PHEMT) 因其高功耗附加效率、出色的噪声表现、高开关速度和独特的电流-电压特性而被广泛使用。这些特性使 HEMT 和 PHEMT 能够在广泛的应用中提高设计性能。

HEMT 和 PHEMT 的结构和操作

HEMT 和 PHEMT 都是场效应晶体管 (FET) 的一种变体，适用于单片微波集成电路 (MMIC) 的制造。HEMT 和 PHEMT 结构将移动载流子与掺杂离子物理隔离，并防止光学声子和离子化杂质造成潜在的散射问题。

让我们深入了解一下 HEMT 和 PHEMT 的结构。

HEMT 和 PHEMT 用于提高手机的性能

HEMT 的结构

发明 HEMT 的初衷是在室温下的半导体器件中获得高电子迁移率。在 HEMT 中用 AlxGa1-xAs/GaAs 量子阱异质结构实现的高电子迁移率迅速取代了无线通信电路中的金属半导体 FET (MESFET)，因为后者的电子迁移率即使在较高的掺杂水平下也十分有限。

在 HEMT 结构中，高电子迁移率是由于掺杂的宽带半导体与未掺杂的窄带隙半导体并列在一起造成的。这种具有不同带隙的两种材料的结构形成了异质结，在掺杂区有一个通道。这种 HEMT 也被称为异质结构 FET (HFET) 或调制掺杂 FET (MODFET)。

当两个不同带隙和掺杂水平的半导体被整合到一个器件的结构中时，电子会向能量较低的窄带隙材料移动。这种电荷转移受到电子和供体离子之间电场的排斥，并倾向于改变带电位。

载流子被限制在窄带隙未掺杂材料的三角量子阱区域，该区域紧邻宽带隙掺杂材料。量子阱区域的薄度创造了自由载流子的二维电子气 (2DEG)。

在这个二维电子气中，没有其他供体电子，因此，该区域的电子迁移率非常高。这种异质结构有助于在 HEMT 中实现较高的电子迁移率。

在 HEMT 结构中使用的两种半导体，其晶格常数或原子间的间距相同。如果晶格常数不匹配，就会导致传导带不连续、深层陷阱，并最终导致 HEMT 性能下降。

异质结处传导带轻微的不连续现象和 2DEG 之间缺失的势垒只限制了通道中的少数电子，导致 HEMT 额定电流较低。

PHEMT 的结构

为了克服 HEMT 的缺点，可以在通道和基板之间引入一个势垒。为此，可以在砷化镓 (GaAs) 缓冲器和供应层之间建立一个赝晶砷化镓 (InGaAs) 通道。这种结构上的改变将 HEMT 转变为了 PHEMT。GaAs 缓冲器和供应层之间的 InGaAs 通道将 HEMT 转变为 PHEMT。PHEMT 技术允许用带隙差异较大的材料来制造 HEMT 器件。

HEMT 的应用

得益于氮化镓/氮化铝（GaN/AlGaN） HEMT 的进展，HEMT 器件可以用于高电压、高电流和低导通电阻电路。

与基于硅和砷化镓的器件相比，基于氮化镓的 HEMT 器件表现出了特殊性能，如更高的击穿电压、饱和电子漂移速度、热导率、功耗密度和更宽的带宽。

HEMT 元件的用途

当今的 HEMT 元件坚固耐用、性能可靠，可用于高压和高温应用。它们经常出现在商业、军事、汽车以及航空航天工业应用中的高电压和高功耗转换器中。

由于 2DEG 中的电子碰撞较少，HEMT 器件的噪声系数非常低，使它们非常适合于在高达 100GHz 的频率范围内工作的低噪声放大器电路、振荡器和混合器。由于 HEMT 和 PHEMT 具备低噪声、高开关速度和高频性能，也常被用在射频通信系统中的 MMIC 上。常见的应用领域还包括高速数据网络通信系统、广播接收器和雷达中使用的电路。

现代无线通信系统需要高功耗密度的放大器、振荡器和混频器，同时成本要低。在各种行业中，为了获得卓越性能，需要利用高频运行的射频和微波电路提供高增益、高效率和低噪声特性。HEMT 和 PHEMT 是满足这些标准的创新半导体元件。如果您的目标是提供稳健可靠的电路，并改善增益、速度和噪声特性，可以考虑在无线通信电路中用 HEMTS 和 PHEMT 取代传统的 FET，以提高性能。

审核编辑 黄宇