119) Гетеротранзистор с двумерным электронным газом (немт).

Двумерный электронный газ или ДЭГ представляет собой электронный газ, в котором частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях, а в третьем они помещены в энергетическую потенциальную яму. Ограничивающий движение электронов потенциал может быть создан электрическим полем, например, с помощью затвора в полевом транзисторе или встроенным электрическим полем в области гетероперехода между различными полупроводниками. По аналогии с ДЭГ можно говорить и о двумерном дырочном газе.

Если число заполненных энергетических подзон в ДЭГ превышает одну, то говорят о квазидвумерном электронном газе.

Плотность состояний ДЭГ не зависит от энергии и равняется

где и — спиновое и долинное вырождение соответственно. Для арсенида галлия GaAs, который является однодолинным полупроводником, вырождение остаётся только по спину и плотность состояний запишется в виде

Транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) — полевой транзистор, в котором для создания канала вместо легированной области, в отличие от обычных МОП-транзисторов, используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (т. н. гетеропереход)^[1].

В HEMT транзисторах чаще всего применяют гетеропереход GaAs-Al_xGa_1-xAs. Величина x показывает относительное содержание Al. С ростом х плавно увеличивается ширина запрещенной зоны ∆E_з Al_xGa_1-xAs. Например, при изменении х в пределах 0-0,4 ∆E_з линейно увеличивается от 1,42 до 1,92 эВ. Для состава с х = 0,3 ∆E_з = 1,8 эВ и различие в ширине запрещённой зоны составляет ~0,38 эВ. Вследствие хорошего соответствия кристаллических решёток GaAs и Al_xGa_1-xAs в гетеропереходе обеспечивается низкая плотность поверхностных состояний и дефектов. По этим причинам для е⁻, накопленных в области накопления затвора, в слабых электрических полях достигается очень высокая подвижность, близкая к объёмной подвижности для нелегированного GaAs [(8..9)·10³ см²/В•с при Т = 300 К]. Причём эта подвижность резко увеличивается при понижении температуры, так как в нелегированном GaAs преобладает решётчатое рассеяние.

Также подвижность электронов в канале увеличивается благодаря дополнительной прослойке (спейсеру) между каналом GaN и барьером AlGaN. Спейсер — тонкий (несколько нм) разделительный слой нелегированного Al_xGa_1-xAs. Он способствует лучшему пространственному разделению двумерного электронного газа и рассеивающих центров между нелегированным GaAs и легированным донорами Al_xGa_1-xAs. Концентрация рассеивающих центров в нелегированном слое ниже, чем в легированном, поэтому подвижность электронов, накопленных в области насыщения затвора, дополнительно увеличивается. В этом случае волновая функция электронов в канале не проникает в барьер, а затухает в спейсере. При этом уменьшается рассеяние носителей на барьере. Введение спейсера также улучшает омический контакт, что приводит к повышению предельной рабочей частоты почти до теоретического предела.

Принцип действия ТВПЭ — транзистора аналогичен принципу действия МеП-транзистора. Между металлическим затвором и расположенным под ним слоем из Al_xGa_1-xAs, образуется управляющий переход Металл - Полупроводник (далее по тексту Ме — п/п). Обедненная область этого перехода располагается, в основном, в слоях Al_xGa_1-xAs. Канал нормально открытого транзистора при U_gs < 0 формируется в слое нелегированного GaAs на границе гетероперехода в области накопления двумерного электронного газа. Под действием управляющего напряжения U_gs изменяется толщина обедненной области перехода Ме — п/п, концентрация е⁻ в 2D электронном газе и ток стока. Электроны поступают в область накопления из истока. При достаточно большом (по модулю) отрицательном U_gs = U_f обедненная область расширяется настолько, что перекрывает область насыщения электронов. Ток стока при этом прекращается.

В нормально закрытом транзисторе вследствие меньшей толщины верхнего слоя Al_xGa_1-xAs при U_gs = 0 проводящий канал отсутствует, так как область насыщения двумерного электронного газа перекрыта обедненной областью управляющего перехода. Канал возникает при некотором положительном U_gs = U_f, когда обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что ее нижняя граница попадает в область накопления электронов.