¿Cómo funcionan los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT)?

Question

Estoy estudiando los transistores de alta movilidad de electrones ( HEMT ), pero simplemente no puedo entender cómo funcionan de la manera descrita por las referencias que he leído en Internet.

Esto es lo que he entendido hasta ahora: La idea es disminuir la dispersión y por tanto aumentar la movilidad separando los electrones conductores por los átomos donantes ionizados que son necesarios para proporcionar estos electrones. Por lo tanto, estos transistores están formados por una puerta metálica, un semiconductor n++ altamente dopado (utilizado para suministrar los portadores móviles), una región espaciadora n no dopada y una región ligeramente dopada p. Cuando se juntan, la región espaciadora n no dopada y la región p ligeramente dopada forman una heterounión, ya que ambos niveles de Fermi tienen que ser iguales Y las energías de ionización también tienen que permanecer constantes. Esta heterounión tiene la forma de un pozo triangular en el lado del semiconductor dopado con p. Así, los electrones pueden hacer un túnel desde el lado n hacia el pozo triangular del lado p, donde permanecen atrapados y separados de los iones, por lo que pueden alcanzar altas velocidades. Esta región triangular de electrones de alta movilidad se denomina 2DEG (gas de electrones 2D)

Espero que hasta ahora todo lo que he dicho sea correcto. (Por favor, corríjanme si me equivoco). Aquí es donde me desconcierta:

1. Esta heterojunción existe siempre, independientemente de la tensión aplicada en la puerta. En consecuencia, siempre habrá una región 2DEG en la interfaz entre los semiconductores p y n, por lo que siempre existirá un canal conductor entre la fuente y el drenaje (el transistor siempre estará encendido). ¿Cómo controla la puerta este canal? ¿Qué polarización debe aplicarse en la puerta y cuáles son sus efectos sobre el 2DEG (y sobre la conductividad del dispositivo)?

2. Las regiones de fuente y drenaje se extienden verticalmente a través de las diferentes regiones (n++, espaciador, p). Para tener una alta movilidad, queremos que el canal entre el drenaje y la fuente esté en el 2DEG. Por lo tanto, queremos que los electrones fluyan allí porque es donde son capaces de alcanzar las velocidades más altas porque apenas hay dispersión allí. Sin embargo, ¿qué impide que los electrones fluyan por la región n++ entre la puerta y el espaciador? Me parece que hay 2 caminos para que los electrones sigan.

Answer 1

En general, la estructura es más compleja. Los portadores para el canal 2D son proporcionados por donantes remotos en una barrera. Además, puede haber una región dopada con n en la superficie, que facilita los contactos eléctricos pero también satura los estados superficiales en la región del canal. Por lo tanto, esto no suele dar lugar a un canal conductor.

1. Aplicando un voltaje de puerta, se puede "inclinar" la estructura de bandas y así agotar el canal 2D o inundarlo de electrones procedentes de los donantes de la barrera. Así es como funciona el transistor.

2. Sólo está describiendo la estructura 2DEG. La geometría de un transistor completamente funcional es más compleja. Se necesita una región de canal bien definida, regiones de contacto de drenaje y fuente y un contacto de puerta, que está aislado del 2DEG. Esta estructura se define a través de pasos litográficos, en los que también la región n++ podría ser grabada, en caso de que diera lugar a un canal parásito. Por lo general, el dopaje es lo suficientemente bajo como para saturar únicamente los estados superficiales sin formar un segundo canal.

Answer 2

Lo preguntaste hace tiempo, pero lo encontré mientras buscaba una pregunta similar sobre los HEMTs por mi cuenta. La respuesta de @engineer para tu primera parte es buena, pero creo que puedo responder a ambas, y de forma más completa. Ojalá le sirva a alguien más si ya pasó esto.

1. Un diagrama de la obra de John Davies "Physics of Low Dimensional Semiconductors" es muy útil para describir esto. Aquí está la imagen que probablemente has visto muchas veces:

Y aquí está la imagen que responderá a su pregunta:

Como puedes ver, si aplicas la tensión de umbral adecuada, puedes crear esencialmente un análogo de la "condición de banda plana", y el pozo desaparece por completo. Puede ser un poco complicado resolver ese voltaje de umbral, y para hacerlo correctamente hay que hacerlo numéricamente.

2. Esta pregunta está perfectamente contestada en el mismo libro (que es muy bueno, si se puede conseguir), en el apartado de "Conducción paralela" (p. 340). La ecuación de transporte de Boltzmann (ver Ashcroft y Mermin) te dice que la conducción realmente sólo ocurre justo alrededor del Nivel de Fermi, porque se integra sobre el producto de la densidad de estados y $\partial f/\partial \epsilon$ (donde $f$ es la distribución de Fermi Dirac y $\epsilon$ es la energía).

Así, puedes ver que en la primera figura, ni las bandas de conducción del espaciador ni las de la región n++ están cerca del Nivel de Fermi (aunque mencionan que si aplicas un cierto voltaje, pueden acercarse lo suficiente para que empiecen a conducir).