高电子迁移率晶体管（HEM和HEM场效应晶体管）利用异质结和二维电子气（2DEG）通道，在射频、毫米波和功率电路中实现极高的速度、增益和低噪声。本文以清晰的步骤解释了它们的层结构、材料、模式、生长方法、可靠性、建模和PCB布局。
HEM和HEM FET基础
高电子迁移率晶体管（HEMT 或 HEM ECT）是一种场效应晶体管，它们使用两种不同半导体材料之间的边界，而非像MOSFET那样使用单一均匀掺杂通道。这个边界称为异质结，使电子在薄层中以低电阻快速移动。因此，HEMT 能够以非常高的速度切换，提供强信号增益，并在高频电路中保持低噪声。常用材料系统如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和InP（质量控制）被选用以平衡速度、电压强度和成本，因此HEMT在现代高频和高功率电子学中被广泛应用。
HEM和HEM FET中的2DEG通道
在HEMT中，高迁移率来自一层非常薄的电子层，称为二维电子气（2DEG）。该层形成于宽带隙层与窄带隙通道的边界处。通道是无掺杂的，因此电子的碰撞次数减少，电流路径快速且电阻低。
2DEG形成步骤：
• 宽带隙层中的供体原子释放电子。
• 电子进入能量较低的窄能隙通道。
• 一个薄的量子阱形成并将电子困在片中。
• 该2DEG片作为由门控的快速通道。
HEM和HEM FET中的层结构
n⁺ 电容层（低带隙）
为源极和漏极接触提供低阻抗路径。门极下方的电容被拆除以保持通道控制。
n⁺ 宽带隙供体/势垒层
提供充满二度格的电子，帮助处理高电场。
无掺杂间隔层
这样可以将供体与二维晶体分离，使电子遭遇碰撞更少，移动更顺畅。
无掺杂窄带隙通道/缓冲器
保持2度分辨率，使电流在高频和高场下快速流动。
基底（硅、硅、蓝宝石、砷化镓或InP）
支撑整个结构，并被选中考虑热处理、成本和材料匹配;GaN-on-Si和GaN-on-SiC在功率和射频HEMT（射频HEMT）中很常见。
HEMT和HEM FET的材料选择
| 材料系统 | 主要优势 | 典型频率范围 |
|---|---|---|
| 铝GaAs / GaAs | 低噪声、稳定且高度发达 | 微波到低毫米波 |
| InAlAs / InGaAs，InP | 非常高速，非常低噪声 | 毫米波及以上 |
| AlGaN / GaN 在 SiC 或 Si | 高电压强度，高功率，热准备 | 射频、微波、电源切换 |
| Si / Si Ge | 支持CMOS，移动性比硅更好 | 射频与高速数字 |
pHEMT 和 HEM FET中的结构
| 类型 | 格点方法 | 主要优势 | 典型的限制/权衡 |
|---|---|---|---|
| pHEMT | 使用非常细且受损的通道，保持在临界厚度以下以匹配基底 | 高电子迁移率，低缺陷，稳定性能 | 通道厚度有限;必须管理储存应变 |
| mHEMT | 使用分级“变质”缓冲器，缓慢改变晶格常数 | 允许高铟含量和非常高的转速（高fT） | 缓冲更复杂，晶体缺陷风险更高 |
HEM和HEM场效应管中的增强与耗竭模式
耗尽模式HEMT（dHEMT，通常开启）
• 常见于AlGaN/GaN结构中，其中2DEG自行形成。
• 器件导通电压为VGS = 0V;需要一个负栅电压来关闭通道。
• 可达到非常高的功率水平和高击穿电压，但需要额外注意以确保系统失效安全。
增强模式HEMT（eHEMT，通常关闭）
• 设计使信道在VGS = 0V时关闭。
• 方法包括门凹、p-GaN门或氟处理，将阈值调整为正值。
• 更像MOSFET，使电力和汽车电路更易保护和控制。
HEMT和HEM FET的射频与毫米波角色
在射频和毫米波电路中，HEM和HEM场效应管被广泛使用，因为它们可以非常快速地切换，并且仅给信号增加少量噪声。它们的结构赋予它们高增益，使它们能在许多硅器件难以承受的频率上工作。
在这些系统中，HEMT通常作为低噪声放大器，以最小的噪声增强弱信号，同时作为功率放大器，驱动高频更强信号。先进的HEMT技术能够将有用的增益保持在毫米波范围内，因此在非常高频的通信和传感电路中被广泛应用。
功率转换中的氮化镓HEMT和HEM场效应晶体效应晶体
GaN HEMT 和 HEM FET 现作为100–650 V高频高效功率变换器的主要开关。它们的开关损耗远低于硅型MOSFET，因此可以在数百千赫甚至兆赫范围内运行，同时保持高效。
这些器件还提供低导通电阻和低电荷，有助于减少导通和开关损耗。它们强大的电场和良好的温度承受能力支持更小的磁性和更紧凑的功率级。为了安全获得这些优势，栅极驱动、PCB布局和EMI控制必须精心规划，以确保快速电压边缘和振铃受到控制。
HEM和HEM FET的外延生长
MBE（分子束外延）
• 采用超高真空和非常精确的生长控制。
• 常见于科研和低产量、高性能的HEMT。
MOCVD（金属有机心血管疾病）
• 支持高晶圆通量。
• 用于商业氮化镓和砷化镓电磁场电磁管（HEMT），以平衡性能和生产成本。
HEM和HEM FET的可靠性与动态行为
基于GaN的HEM和HEM场效应晶体在高压高功率切换时可能会遇到可靠性问题。缓冲器、表面或界面中的陷阱在切换过程中可能接电，这会提高动态导通电阻并切断电流，导致电流相较于直流运行时发生塌缩。
强电场和门附近的高温会增加额外压力。随着时间推移，反复开关、加热、湿度或辐射会缓慢改变阈值电压和漏电等值，因此良好的热设计和保护支持长期稳定性。
结论
HEMT和HEM FET的行为来自2DEG通道、选定材料系统以及pHEMT或mHEMT结构，这些结构由增强或耗尽模式设计所塑造。结合MBE或MOCVD生长，陷阱、动态阻力和热极限定义了实际性能。准确的射频和功率模型，加上精心的PCB和封装选择，确保了作的稳定。
常见问题解答 [常见问题解答]
GaN HEMT需要多少门极驱动电压？
大多数增强模式的氮化镓电磁极管使用约0–6伏的栅极驱动。
HEMT需要特殊的门极驱动器吗？
是的。它们需要快速、低电感的栅极驱动器，通常需要专用的氮化镓驱动IC。
HEM和HEM冷冻胚胎移植常用的方案有哪些？
射频HEMT使用射频陶瓷或表面贴装封装。功率氮化镓HEMT采用QFN/DFN、LGA、低电感功率封装或某些TO式封装。
温度如何影响HEMT的性能？
温度升高会提高导通电阻，减少电流，降低射频增益，并增加漏电。
电力转换器中如何测试HEMT？
它们通过双脉冲测试来测量开关能量、超冲、振铃和RDS（on）等。
高压氮化镓电磁场管（GANMT）有哪些安全措施重要？
使用加固隔离、合适的保险丝或断路器、浪涌保护、正确的爬行和间隙、受控的电压/电压以及受保护的闸极驱动。
