HEMT

這種器件及其集成電路都能夠工作於超高頻（毫米波）、超高速領域，原因就在於它是利用具有很高遷移率的所謂二維電子氣來工作的。

（提高載流子遷移率的重要性）

因為一般的場效應集成電路為了達到超高頻、超高速，必須要減短信號傳輸的延遲時間τd ∝ CL/(μnVm)和減小器件的開關能量(使IC不致因發熱而損壞)E = ( Pd τd )≈CLVm2/2，而這些要求在對邏輯電壓擺幅Vm的選取上是矛盾的，因此難以實現超高頻、超高速；解決的一個辦法就是，首先適當降低邏輯電壓擺幅, 以適應IC穩定工作的需要，而要縮短τd 則主要是着眼於提高電子的遷移率μn，這就發展出了HEMT。

HEMT的基本結構就是一個調製摻雜異質結。高遷移率的二維電子氣（2-DEG）存在於調製摻雜的異質結中，這種2-DEG不僅遷移率很高，而且在極低温度下也不“凍結”，則HEMT有很好的低温性能, 可用於低温研究工作 (如分數量子Hall效應) 中。

HEMT是電壓控制器件，柵極電壓Vg可控制異質結勢阱的深度，則可控制勢阱中2-DEG的面密度，從而控制着器件的工作電流。對於GaAs體系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制層應該是耗盡的 (厚度一般為數百nm, 摻雜濃度為107~108 /cm3)。若n-AlxGa1-xAs層厚度較大、摻雜濃度又高，則在Vg =0 時就存在有2-DEG, 為耗盡型器件，反之則為增強型器件( Vg=0時Schottky耗盡層即延伸到i-GaAs層內部)；但該層如果厚度過大、摻雜濃度過高, 則工作時就不能耗盡, 而且還將出現與S-D並聯的漏電電阻。總之，對於HEMT，主要是要控制好寬禁帶半導體層——控制層的摻雜濃度和厚度，特別是厚度。

在考慮HEMT中的2-DEG面密度Ns 時，通常只需要考慮異質結勢阱中的兩個二維子能帶( i = 0和1) 即可。2-DEG面電荷密度Ns將受到柵極電壓Vg的控制。

①對於長溝道HEMT，其中電子的漂移速度vd不飽和，而且與溝道電場E(y)有關，即有 vd= μE(y) 。則通過寬度是W的溝道的電流為IDS = q W Ns(y) μE(y)= Wμ[ε’ε0 / (d +Δd )]·[Vgs－VT－V(y)]·(dV(y)/dy)，

從源端積分到漏端( y = 0→L ), 就得到HEMT的I-V特性：Ids = μ(W/L) [ε’εo/(d +Δd )]·[(Vgs－VT)Vds－(Vds2)/2].

相應地可求出HEMT的跨導為gm = μ(W/L) [ε’ε0 / (d +Δd )] Vds∝ Vds 。

當Vds增加到Vdsat = Vgs－VT 時, 溝道夾斷, 即得到飽和電流：Idsat = μ(W/L) [ε’ε0 / 2(d +Δd )] (Vgs－VT)2 ,

飽和時的跨導則為 gm sat = μ(W/L) [ε’ε0 / (d +Δd )] (Vgs－VT) 。

②對於短溝道（L ≈1μm）的HEMT，漂移速度將飽和為vS，則飽和電流為

IDSat = q Ns0 vS W = vS W [ε’ε0 / (d +Δd )] (Vgs－VT) ∝(Vgs－VT)；

並且飽和跨導與電壓無關： gm sat = vS W [ε’ε0 / (d +Δd )] 。

實際上, 對很短溝道的HEMT, 往往是高得多的瞬態漂移速度起着決定作用，從而有更高的飽和電流和飽和跨導。

對於極性很大的半導體異質結，那麼情況將有所不同。譬如n+-AlGaN/i-GaN調製摻雜異質結，由於其中的高遷移率2-DEG主要是由極化效應而產生出來的，因此，即使在AlGaN控制層中不摻雜，也能夠得到大量的2-DEG（可高達1013cm），這時的2-DEG面密度將主要決定於極化效應的強度。 ^[1]