1. Введение

Требование высокой скорости переключения, например, в области микроволновой связи и радиочастотной технологии, побудило транзисторы развиваться с высокой подвижностью электронов и превосходными транспортными характеристиками. , Изобретение устройств HEMT аккредитовано Т. Мимурой, который принимал участие в исследовании высокочастотных высокоскоростных полупроводниковых приборов на основе состава III-V в Fujitsu Laboratories Ltd, Кобе, Япония.После этого HEMT впервые был коммерчески использован в качестве криогенного усилителя с низким уровнем шума в Обсерватории радио Nobeyama (NRO), Нагано, Япония, в 1985 году [1].

Для удовлетворения потребностей в приложениях с высокой частотой, низким уровнем шума и высокой удельной мощностью традиционные МОП-транзисторы и МОП-транзисторы должны быть построены с очень короткими длинами каналов, чтобы большинство несущих сталкивалось с минимальным рассеянием примесей и снижением производительности. Такие применения также подразумевают ограничения по конструкции и характеристикам, требующие высокого тока насыщения, а также большой проводимости, которая может быть достигнута при сильном легировании.Чтобы преодолеть эти ограничения, устройства HEMT включают гетеропереходы, образованные между двумя различными материалами с запрещенной зоной, где электроны заключены в квантовой яме, чтобы избежать рассеяния примесей. Материал GaAs с прямой запрещенной зоной использовался в высокочастотной работе, а также в оптоэлектронных интегральных схемах благодаря его более высокой подвижности электронов и диэлектрической проницаемости. AlGaAs являются наиболее подходящим кандидатом для барьерного материала GaAs, обладающего почти такой же постоянной решетки и большей шириной запрещенной зоны, чем у GaAs.Вот почему GaAs / AlGaAs гетероструктура считается наиболее популярным выбором для включения в HEMT. Тем не менее, AlGaN / GaN HEMT — это еще одно превосходное устройство, которое в последнее время широко исследовалось. Он может работать на очень высоких частотах с удовлетворительными характеристиками, а также обладать высокой прочностью на разрыв и высокой скоростью электронов при насыщении [2]. GaN демонстрирует очень сильную пьезоэлектрическую поляризацию, которая способствует накоплению огромных носителей на границе раздела AlGaN / GaN. В этих типах HEMT производительность устройства зависит от типов слоя материала, толщины слоя и концентрации легирования слоя AlGaN, обеспечивая гибкость в процессе проектирования.Из-за своего превосходства над устройствами HEMT с другими материалами, AlGaN / GaN HEMT был выбран в качестве примера для различных тем в этой главе.

Глава начинается с краткого объяснения различных общих структур и основного принципа работы устройств HEMT. Основное внимание уделяется анализу производительности устройства HEMT на основе аналитического и численного анализа, найденного в литературе. Например, I ‑ V характеристик HEMT [3], оценка двумерного электронного газа (2DEG) [4], эффект коллапса тока в коротком канале [5], расчет емкости [6] и тепловые эффекты [7] на HEMT были обсуждены в разделе 4, которые были получены с использованием аналитического исследования.Раздел 5 включает более строгие методы, такие как моделирование дрейф-диффузия [8], расчет переноса [9], моделирование Монте-Карло [10], формализм функций Грина [11] и анализ напряжения сдвига на основе поляризации [12], которые требуют значительного численного расчета. методы для характеристики производительности устройства HEMT. Оглядываясь назад на самые последние годы, некоторые новейшие результаты были представлены в разделе 6, а именно в разделе «Последние исследования». В разделе 7 представлены некоторые прогнозы будущих направлений исследований на основе этих последних результатов.Наконец, возможные области применения устройств HEMT были обсуждены в последнем разделе.

2. Общие конструкции HEMT

2.1. HEMT на основе GaAs

Типичная HEMT-структура на основе GaAs показана на рисунке 1. В целях отделения основных носителей от ионизированных примесей между материалом с широкой запрещенной зоной AlGaAs и материалом с более низкой запрещенной зоной GaAs создается резкая гетероструктура. материал с широкой запрещенной зоной легирован (например, плотность легирования, n = 7 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ).Таким образом, на границе раздела гетеропереход GaAs / AlGaAs формируется канал. Для уменьшения кулоновского рассеяния в качестве разделительного слоя используется тонкий слой нелегированного AlGaAs. Внизу слой Si или GaAs служит подложкой.

Рисунок 1.

Структура HEMT на основе GaAs.

2.2. HEMT на основе GaN

HEMT на основе GaN имеют слоистую структуру, аналогичную традиционным HEMT на основе GaAs, как показано на рисунке 2. Но преднамеренного легирования в HEMT AlGaN / GaN не требуется. Скорее электроны приходят из поверхностных состояний из-за спонтанной поляризации, обнаруженной в GaN со структурой вюрцита.Это накопление свободных носителей формирует высокую концентрацию носителей на границе раздела, приводит к каналу 2DEG. На рисунке 2 также показаны донороподобные поверхностные ловушки (пустые) сверху и, таким образом, положительно поляризованный заряд на границе раздела AlGaN / GaN. 2DEG является явной функцией поверхностного барьера, толщины AlGaN и связанного положительного заряда на границе раздела.

Рисунок 2.

Структура HEMT на основе GaN.

2.3. HEMT на основе InP

HEMT на InP приводят к более низкой эффективной электронной массе в канальном слое InGaAs по сравнению с обычными HEMT на основе GaAs.Эти HEMT содержат сравнительно большое смещение зоны проводимости (приблизительно 0,5 эВ) между канальным слоем и соседним барьерным слоем, InAlAs [13]. Следовательно, HEMT на основе InP демонстрируют высокую подвижность электронов, высокую скорость насыщения электронов и высокую концентрацию электронов. Устройство обычно состоит из композитного верхнего слоя InGaAs / InAlAs для улучшенного омического контакта, нелегированного InAlAs в качестве барьера Шоттки и композитного канала InGaAs / InAs для превосходных свойств переноса электронов, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Структура HEMT на основе InP.

3. Принцип работы HEMT

HEMT — это, по существу, гетеропереходы, образованные полупроводниками, имеющими разные запрещенные зоны. Когда образуется гетеропереход, зона проводимости и валентная зона по всему материалу должны изгибаться, образуя непрерывный уровень. Широкополосный элемент имеет избыточные электроны в зоне проводимости, так как он легирован донорными атомами (или из-за поляризационного заряда в HEMT на основе GaN). Узкополосный материал имеет состояния зоны проводимости с меньшей энергией.Следовательно, электроны будут диффундировать из материала с широкой запрещенной зоной в соседний материал с более низкой запрещенной зоной, поскольку он имеет состояния с меньшей энергией. Таким образом, изменение потенциала будет происходить из-за движения электронов, и между материалами будет индуцировано электрическое поле. Индуцированное электрическое поле будет дрейфовать электроны обратно в зону проводимости элемента с широкой запрещенной зоной. Процессы дрейфа и диффузии продолжаются до тех пор, пока они не уравновесят друг друга, создавая соединение в равновесии, подобное p-n-соединению. Обратите внимание, что нелегированный материал с узкой запрещенной зоной теперь имеет избыточные основные носители заряда, которые обеспечивают высокую скорость переключения.Интересный факт заключается в том, что нелегированный полупроводник с низкой запрещенной зоной не имеет донорных атомов, вызывающих рассеяние, и, таким образом, обеспечивает высокую подвижность.

Другим интересным аспектом HEMT является то, что разрывы зон через зоны проводимости и валентной зоны могут быть спроектированы для управления типом носителей, входящих и выходящих из устройства. Эта диффузия носителей приводит к накоплению электронов вдоль границы двух областей внутри узкополосного материала. Накопление электронов может привести к очень сильному току в этих устройствах.Накопленные электроны также известны как 2DEG. На рисунке 4 показана обобщенная полосовая диаграмма, сформированная на гетеропереходе для типичных HEMT. И зона проводимости (E _c ), и валентная зона (E _v ) изгибаются относительно уровня Ферми (E _F ), что приводит к квантовой яме, заполненной 2DEG, и, в конечном итоге, образуется проводящий канал.

Рисунок 4.

Обобщенная диаграмма энергетических зон HEMT.

4. Анализ производительности: аналитический подход

В связи с быстро растущей популярностью в высокочастотных и мощных приложениях, устройства HEMT в последние дни стали объектом пристального внимания исследователей.В литературе можно найти множество аналитических моделей для изучения характеристик HEMTS, а также для улучшения характеристик устройства. В этом разделе мы представляем некоторые из выдающихся и эффективных аналитических исследований по HEMT AlGaN / GaN.

4.1. Вольт-амперные характеристики с использованием модели управления зарядом

Улучшенная модель управления зарядом для I-V характеристик AlGaN / GaN HEMT была представлена ​​в 2008 году Li et al. [3]. Эта модель включает в себя граничные условия Робина в решении 1-D уравнения Шредингера и настраиваемые собственные значения в решении 2-D уравнения Пуассона.Нелинейная поляризация и паразитное сопротивление источника и стока были включены в эту модель. Модель оценивает ток утечки, предполагая непрерывность второго порядка с аналитическим представлением трансдуктивности. Структура устройства, использованная в этой модели, почти аналогична структуре на рисунке 2. Однако единственное отличие состоит в том, что легированный слой AlGaN 22 нм с концентрацией легирования N _D = 2 × 10 ¹⁸ см ^{— 3} присутствует над нелегированным слоем AlGaN для усиления поляризации.Результат I — В , построенный с использованием этой аналитической модели, показан на рисунке 5 для различных напряжений затвора.

Рисунок 5.

для HEMT Al0.15Ga0.85N / GaN. Смещение между затвором и источником изменяется от 1 до -2 В с шагом -1 В.

4.2. Зависимость плотности заряда 2DEG от смещения затвора

Khandelwal et al. предложил физическую аналитическую модель для плотности 2DEG в HEMT AlGaN / GaN [4]. Используя эту модель, они показывают взаимозависимость между уровнями 2DEG и Fermi.Предлагаемая модель не требует подгонки параметров. Он моделирует 2DEG с учетом концентрации заряда в двух разных областях. Один имеет более высокую энергию первого поддиапазона, в то время как другой имеет более низкую энергию первого поддиапазона по сравнению с уровнем Ферми. Кроме того, также представлена ​​унифицированная модель, объединяющая эти два региона. Это представляет изменение 2DEG с напряжением смещения затвора, как показано на рисунке 6. Результаты показывают отличное согласие с численными расчетами.

Рисунок 6.

Сравнение плотности заряда 2DEG, нс с численными расчетами в зависимости от напряжения на затворе.

4.3. Характеристики короткого канала I ‑ V с обрывом тока

Обрыв тока — нежелательное, но неизбежное явление в HEMT на основе GaN. Это неидеальный эффект короткого канала, когда ток зависит от предыдущей памяти напряжения затвора. Для I ‑ V характеристик AlGaN / GaN HEMTS при наличии коллапса тока была предложена другая компактная модель [5]. Он включает механизм захвата и края затвора и основан на экспериментальных данных. Емкостное напряжение ( C-V ) характеристик AlGaN / GaN HEMT также может быть рассчитано с использованием этой модели.Эта модель анализирует коэффициент трансдуктивности устройства в зависимости от смещения затвора, когда происходит коллапс тока. Сравнительный график трансдуктивности с коллапсом тока и без него, как определено этой компактной моделью короткого канала, показан на рисунке 7.

Рисунок 7.

Сравнение трансдуктивности с коллапсом тока и без него для HEMT AlGaN / GaN.

4.4. Емкость затвора, включая паразитные компоненты

Zhang et al. предложил аналитическую модель на основе поверхностного потенциала для расчета емкости, включая паразитные компоненты для HEMT AlGaN / GaN [6].Плотность заряда листа моделируется с помощью уравнений управления зарядом, а емкость рассчитывается на основе концепции потенциала поверхностного заряда, которая согласуется с моделью плотности заряда листа. Паразитные компоненты дополнительно включены в модель, чтобы обеспечить полную модель. Разработанная модель показывает соответствие с моделированиями TCAD и экспериментальными данными.

4.5. Тепловые эффекты со сложными структурами

Несмотря на то, что AlGaN / GaN HEMT является перспективным устройством для высокочастотных и мощных применений, его производительность может ухудшаться при высоких температурах.Следовательно, тепловое моделирование необходимо для прогнозирования производительности устройства при различных температурах. Bagnall et al. разработал такую ​​тепловую модель, которая включает тепловые эффекты с аналитическими решениями в замкнутой форме для сложных многослойных структурированных HEMT [7]. Эта структура состоит из N слоев ( j = 1, 2, 3,…, N) и источника тепла, размещенного внутри слоев, как показано на рисунке 8 (а). Аналитическое моделирование выполняется с использованием решения ряда Фурье и проверяется с помощью спектров комбинационного рассеяния.Распределение температуры вдоль границы раздела AlGaN / GaN x -ось, включая источник тепла, как представлено моделью, показано на рисунке 8 (b).

Рисунок 8.

(a) Сложная многослойная структура HEMT с источником тепла и (b) распределение температуры вдоль оси x для AlGaN / GaN HEMT, включая источник тепла.

Помимо этих моделей, было предложено много других аналитических моделей для устранения шума, расчета потерь, оценки поляризации, анализа слабых сигналов и т. Д.

5. Анализ производительности: численный подход

Были проведены различные численные исследования HEMT для анализа влияния внутренних физических механизмов. В этом разделе представлены некоторые обобщенные численные модели, рассмотренные из литературы.

5.1. Полностью связанная модель дрейфовой диффузии

Yoshida et al. представил двумерный численный анализ HEMT для моделирования работы устройства [8]. Модель Андерсона используется для генерации уравнений линий края полосы и рассматривается статистика Больцмана.Пространственно непрерывное изменение края полосы в этой модели не оправдано, поскольку ток через гетероинтерфейс не учитывается. Током дырки и током генерации-рекомбинации также пренебрегают. Аппроксимация конечных разностей используется для дискретизации уравнения Пуассона и уравнения непрерывности электронного тока. После этого получающиеся уравнения решаются самостоятельно последовательно, используя метод Ньютона. Эта полностью связанная модель традиционно известна как модель дрейфа-диффузии [14].

5.2. Модель переноса энергии: расчет переноса

Буот представил двумерный численный симулятор, основанный на анализе первых трех моментов уравнения Больцмана, известного как модель переноса энергии [9].Он использовался для изучения различных влияний на производительность HEMT AlGaAs / GaAs [9]. Связанные уравнения переноса (подробности уравнений переноса энергии см. В [15]) решались численно с использованием метода конечных разностей на равномерной сетке с использованием итерационной схемы. Используя HISSDAY, программу компьютерного симулятора, уравнения переноса для модели переноса энергии решаются численно с использованием неявной схемы для уравнений непрерывности; Метод Шарфеттера-Гуммеля [16] для текущего уравнения переноса; и явный разностный «маршевый» метод для расчета средней энергии.Эта модель имеет улучшение по сравнению с моделью переноса энергии Видигера [17], где проводимость в слое AlGaAs игнорируется [9].

5.3. Моделирование Монте-Карло

Ueno et al. представил моделирование HEMT Монте-Карло для анализа электронного транспорта 2DEG [10]. Анализ основан на модели электрон-фононного взаимодействия, предложенной Прайсом [18]. В этом контексте предполагается, что электроны 2DEG рассеиваются объемными фононами. Таким образом, волновые функции, рассчитанные методом самосогласованного анализа, используются для оценки скорости рассеяния.Область канала не считается однородной, а электроны вблизи области стока рассматриваются как трехмерные, а область вблизи источника рассматриваются как двумерные. Кроме того, электроны с высокой энергией за пределами высоты барьера ведут себя как трехмерные электроны и не ограничены квантовой ямой. В этих симуляциях сначала оценивается начальное условие. Затем электронная плотность листа в каждой позиции между истоком и стоком оценивается с использованием отношения непрерывности тока вдоль канала.Затем выполняется моделирование по методу Монте-Карло путем разделения канала на различные ячейки и оценки скорости рассеяния электронных состояний в каждой ячейке. Затем, принимая распределение потенциала данного устройства из двумерного уравнения Пуассона, шаги повторяются, пока не будет получено устойчивое состояние.

5.4. Шумовой ток с использованием формализма функции Грина

Ли и Уэбб описали численный подход к моделированию источников собственного шума в HEMT [11].В этой модели используется двумерный решатель числовых устройств. Спектральные плотности для источников тока затвора и шума стока и их корреляция оцениваются с помощью емкостной связи. После решения уравнений Пуассона и непрерывности с использованием двумерного числового решателя устройства получаются функции Грина. Здесь функции Грина используются для определения локальных колебаний (с точки зрения тока или напряжения в любой точке канала) на клеммах затвора и стока. Эта приблизительная концепция поля импеданса [19] помогает определить источники шума затвора и стока и их корреляцию.Для численного моделирования все устройство делится на несколько ортогональных областей, и считается, что результаты двумерного моделирования будут соответствовать результату трехмерного моделирования. Также рассматриваются спонтанная поляризация и деформационно-индуцированная пьезоэлектрическая поляризация. Предполагается, что микроскопические флуктуации в каждом сегменте пространственно некоррелированы и происходят только из-за флуктуации скорости (диффузионного) шума.

5.5. Высокотемпературный анализ напряжения сдвига

Hirose et al.предложили численную модель для структур AlGaN / GaN HEMT, где напряжение сдвига, вызванное обратным пьезоэлектрическим эффектом, используется для прогнозирования результатов высокотемпературных испытаний напряжением постоянного тока [12]. В этой модели скольжение плоскости решетки в кристалле считается начальной стадией образования трещин. Напряжение сдвига вызывает скольжение, и скольжение деформирует кристалл, когда напряжение сдвига превышает предел текучести. В HEMT на основе GaN базовая плоскость скольжения равна (0001), а направление скольжения равно <1120>. Слой AlGaN представляет собой кристалл вюрцита, выращенный в направлении <0001> [20].Предполагается, что напряжение сдвига является результатом обратного пьезоэлектрического эффекта. Механическое напряжение и электрическое смещение возникают из-за пьезоэлектрического эффекта. В предположении рассогласования решетки в слое AlGaN напряжение сдвига относится к скольжению в направлении <1120>. Однако для расчета напряжения сдвига электрическое поле получается из двумерного моделирования устройства на основе уравнения Пуассона и уравнений непрерывности дрейф-диффузионного тока. Эта модель включает пьезоэлектрические заряды и разницу в зарядах спонтанной поляризации на границе раздела AlGaN / GaN.

Среди числовых моделей любая может иметь преимущество перед другими моделями, но также имеет некоторые ограничения. Например, модель переноса энергии может включать эффект горячих электронов [14]. Модель дрейфовой диффузии не может предсказать характеристики устройств затвора субмикронного уровня [9]. Подход Монте-Карло является одним из передовых подходов [21]. Все эти числовые модели обеспечивают уникальное понимание физики устройства и создают возможность улучшения производительности с TCAD до изготовления устройства.

6. Последние исследования

С ростом популярности, исследования по устройствам HEMT все еще продолжаются. В этом разделе были кратко освещены некоторые недавние исследовательские работы, опубликованные в известной научной литературе.

6.1. ВЧ-генератор с резонатором на основе GaN HEMT

Hörberg et al. представил генератор на основе GaN для X-диапазона, настроенного радиочастотными микроэлектромеханическими системами (RF-MEMS) [22]. Сообщается, что фазовый шум снижается в диапазоне от -140 до -129 дБн / Гц со смещением 100 кГц, что значительно ниже.Этот генератор подходит для высокочастотных модуляторов с низким уровнем шума.

6.2. Компактный усилитель мощности GaN HEMT MMIC

Недавно был представлен компактный усилитель мощности на основе GaN HEMT MMIC с подробным анализом производительности [23]. Хороший диапазон выходной мощности (47,5–48,7 дБм) может быть получен от этого усилителя. Такой усилитель может быть использован для построения электронных систем, которые требуют воздушной фазированной антенной решетки или спутниковых передатчиков. Улучшенная выходная мощность усилителя также повышает стабильность, надежность и производительность этих электронных систем.На рисунке 9 показаны характеристики выходной мощности как в импульсном режиме, так и в режиме непрерывной волны (CW) с изменением частоты в этом усилителе мощности.

Рисунок 9.

Выходная мощность усилителя мощности GaN HEMT MMIC с изменением частоты в импульсном и непрерывном режимах.

6.3. Q-спойлинг на основе режима истощения HEMTs

Q-спойлинг — это процесс, в котором катушки МРТ расстраиваются для обеспечения безопасности и защиты. Традиционно такая развязка или Q-испорчение выполняются с помощью PIN-диодов, которые требуют высокого тока и потребляемой мощности.Лу и соавт. Предложена альтернативная методика Q-спойлинга, которая заменяет ПИН-диоды на GaN HEMTs в режиме обеднения [24]. Показано, что предложенная технология эффективно расстраивает МРТ-катушки с низким током и потреблением энергии по сравнению с традиционными технологиями Q-Spilling. Это также обеспечивает соответствующие меры безопасности, необходимые для расстройки катушек МРТ.

6.4. Генераторы GaN HEMT с низким фазовым шумом

Превосходная добротность (FOM) была достигнута для низкого фазового шума при разработке генераторов на основе GaN HEMT [25].Конструкция продемонстрировала, что низкий фазовый шум может совпадать с низкой мощностью смещения. Результат проверен при разработке Колпитта и генераторов с отрицательным сопротивлением, и оба они представляют наилучшие из представленных FOM.

6.5. Эффект кинка в технологии GaN HEMT

Crupi et al. исследовал эффект кинка (KE) в современной технологии GaN HEMT [26]. Для лучшего понимания KE изучается всесторонне с изменением температуры и условий смещения. Показано, что зависимость КЕ от условий эксплуатации в основном обусловлена ​​трансдуктивностью устройства.Характеристика аномального KE была бы полезной для инженеров микроволновой печи, которым необходимы эти знания KE для проектирования и моделирования устройств с GaN HEMT.

6.6. Переключатели 600 В GaN HEMT для силовых преобразователей

Экспериментально были продемонстрированы переключатели 600 В GaN HEMT, чтобы показать сравнение производительности с кремниевыми транзисторными переключателями, такими как IGBT и MOSFET [27]. Переключатели HEMT, несмотря на то, что они новички, показывают отличную производительность по сравнению со зрелыми аналогами, MOSFET на основе Si.Показано, что GaN-переключатели обеспечивают более высокую эффективность повышающего преобразователя, чем MOSFET-переключатели. Далее, GaN-переключатели сравниваются экспериментально с IGBT. Были рассмотрены как IGBT на основе Si-тела, так и основанные на SiC-теле. Обнаружено, что при более высокой частоте переключения IGBT переключает эффективность потерь очень быстро, в то время как HEMT монотонно переключает эффективность потерь, как показано на рисунке 10. Следовательно, HEMT предлагают превосходную производительность по сравнению с MOSFET на основе Si и IGBT для приложений переключения высокочастотных преобразователей энергии.

Рисунок 10.

Сравнение эффективности для GaN-HEMT-переключателей с IGBT-корпусом с Si-корпусом и IGBT-корпусом с SiC-корпусом.

7. Будущие тенденции

Будущие устройства HEMT, основанные на двухмерном ограничении носителей, кажутся очень яркими в электронике, связи, физике и других дисциплинах. HEMT на основе GaAs, InP и GaN будут продолжать свой путь к более высокой интеграции, более высокой частоте, более высокой мощности, более высокой эффективности, более низкому уровню шума и более низкой стоимости. В частности, GaN предлагает мощные, высокочастотные территории вакуумных трубок и приводит к созданию более легких, более эффективных и более надежных систем связи.

HEMT будут продолжать формировать другие виды FET, которые будут использовать уникальные свойства 2DEG в различных системах материалов. В силовой электронике HEMT на основе GaN могут оказать большое влияние на потребительские, промышленные, транспортные, коммуникационные и военные системы. С другой стороны, структуры MOS-HEMT или MISFET, вероятно, будут работать в усиленном режиме с очень низким током утечки.

Si CMOS технология быстро продвигается к режиму затвора 10 нм.Чтобы достичь этого, управление рассеянием мощности в ультраплотных микросхемах будущего поколения будет серьезной проблемой. Снижение рабочего напряжения может быть решением этой проблемы. Однако в настоящее время трудно достичь этого с помощью Si CMOS, сохраняя при этом качественные характеристики. Устройства на основе квантовых ям, такие как InGaAs или InAs HEMT, обладают очень высоким потенциалом. Следовательно, HEMT могут продлить закон Мура еще на несколько лет, что будет гигантским для общества [28].

Из прошлого можно ожидать, что исследование новых моделей устройств и структур HEMT определенно приведет к новому пониманию часто странной физики квантованных электронов.ZnO, SiGe и GaN продемонстрировали дробный квантовый эффект Холла (FQHE), наибольший показатель безупречной чистоты и атомного порядка, которые обеспечивают светлое будущее устройств HEMT [29].

Концепция различных видов физических и биосенсоров все еще очень нова для такого рода устройств. Сверхвысокая мобильность, которая возможна в системе на основе InAlSb / InAsSb, позволяет использовать высокочувствительные микро-датчики Холла для многих применений, включая сканирующую зондовую микроскопию Холла и биораспознавание [30].Трехосные магнитные датчики Холла были описаны в микромашинных HEMT на основе AlGaAs / GaAs [31]. Эти устройства могут быть использованы в будущих электронных компасах и навигации. ТГц детекция, микширование и умножение частоты также могут использоваться устройствами на базе 2DEG [32]. GaN и родственные материалы имеют сильную пьезоэлектрическую поляризацию, и они также являются химически стабильными полупроводниками. Комбинируя функционализированные 2DEG-структуры на основе GaN с отдельно стоящими резонаторами, можно создавать сложные датчики [33].Они могут предложить методы измерения нескольких свойств, таких как вязкость, pH и температура.

Без ссылок расширение этой технологии в области «машина-машина» (M2M), как ожидается, будет использоваться в различных функциях обнаружения на основе облачных сетей. Разнообразные приложения, такие как исследования окружающей среды, биотехнологии и структурный анализ, могут быть значительно улучшены с помощью недавно появившейся сенсорной технологии, которая обладает высокой скоростью, высокой мобильностью и высокой чувствительностью.Ожидается, что технология HEMT сильно изменит интеллектуальную социальную инфраструктуру на уровне устройств. Система «умный город», транспортная система, пищевая промышленность, логистика, сельское хозяйство, здравоохранение, экология и системы образования — примеры, где эта технология может делать исключения [34].

Рост полупроводникового освещения на основе III-N приведет к постоянному развитию материалов, подложек и технологий, продвигаемых сильным потребительским рынком. По аналогии, оптоэлектроника III-N бросит вызов лампочкам, а электроника III-N бросит вызов электронному эквиваленту — лампам [35].

8. Приложения

Взрыв мультимедийных интернет-коммуникаций быстро распространился по всему миру, что срочно требует увеличения пропускной способности сети передачи. Устройства на основе HEMT являются наиболее привлекательным выбором для преодоления ограничения скорости и механизма с высоким коэффициентом усиления и бесшумностью. Различные компании по всему миру разрабатывают и производят устройства на основе HEMT, и для этих устройств было предложено множество возможных применений. Не рассматривая все эти возможности, некоторые ключевые приложения приведены в этом разделе.

8.1. Широкополосная связь

Сотовая связь получила самое важное невоенное применение устройств HEMT, заменив Si-транзисторы. Для таких приложений широкополосной / многополосной связи мы получаем множество преимуществ. Увеличение относительной полосы пропускания для данного уровня мощности является одним из них. Некоторые новые схемы и системные концепции обеспечивают пропускную способность с повышенной эффективностью. Линейность была улучшена для той же выходной мощности. Уменьшение эффектов памяти также обнаруживается при использовании GaN HEMT-устройств [36].

8.2. Компоненты радара и космическое применение

Усилители с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума являются основными характеристиками для изготовления компонентов радара. GaN HEMT являются одним из первых вариантов для таких компонентов. Активные электронные сенсорные матрицы построены из HEMT на основе GaN, которые используются для бортовых радаров, наземных радаров ПВО и военно-морских радаров [37]. Применение ракет Ka-диапазона на частоте 35 ГГц также обсуждается в литературе [38]. Дискретные HEMT почти всегда используются в качестве предварительного усилителя в типичном приемнике DBS, за которым следуют одна или несколько монолитных микроволновых интегральных микросхем (MMIC) GaAs MESFET из-за их превосходных характеристик с низким уровнем шума.Использование малошумящего предварительного усилителя HEMT привело к существенному улучшению производительности системы при небольших дополнительных затратах. Понижающий преобразователь с низким уровнем шума, состоящий из 0,25 мкм HEMT и трех микросхем GaAs MMIC, показал коэффициент шума системы менее 1,3 дБ с усилением около 62 дБ с 11,7 ГГц до 12,2 ГГц, что является феноменальным для коммерческой системы. [39]. Микроволновое оборудование, используемое для космических применений, очень дорого, поскольку для выживания ему необходима дополнительная защита от суровых условий в космосе.Кроме того, космический корабль должен быть запущен, и это означает, что оборудование также должно выдерживать без повреждений при высоких уровнях вибрации и ударов. HEMT могут быть изготовлены, чтобы выжить в этих условиях и широко используются в различных областях. Как правило, микроволновый компонент для космических применений в десять-сто раз дороже, чем для коммерческих применений. Сотрудники Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) использовали отличные криогенные характеристики HEMT для получения сигналов во время полета Нептуна на космическом корабле-вояджере.

8.3. Применение датчиков

В последнее десятилетие химические датчики приобрели значение для приложений, которые включают в себя вопросы национальной безопасности, медицинского и экологического мониторинга, а также безопасности пищевых продуктов. Желаемой целью является возможность одновременно анализировать широкий спектр экологических и биологических газов и жидкостей в полевых условиях и иметь возможность выборочно определять целевой аналит с высокой специфичностью и чувствительностью. Проводящий 2DEG канал HEMT очень близок к поверхности и очень чувствителен к адсорбции аналитов.Следовательно, датчики HEMT могут быть хорошей альтернативой для обнаружения газов, ионов и химических веществ [40].

8.4. Обнаружение ДНК

AEM-связанные AlGaN / GaN HEMT, функционализированные в области ворот с 3′-тиол-модифицированными олигонуклеотидами, не содержащими метки, служат связующим слоем к поверхности AlGaN, который может обнаружить гибридизацию соответствующих ДНК-мишеней. XPS показывает иммобилизацию модифицированной тиолом ДНК, ковалентно связанной с золотом, в стробированной области. Ток сток-источник демонстрирует явное снижение на 115 мкА, поскольку эта согласованная ДНК-мишень вводится в ДНК-зонд на поверхности, показывая перспективу обнаружения последовательности ДНК для биологического зондирования [41].

8.5. Обнаружение белка

Используя аминопропилсилан в области затвора, можно активировать HEGT-структуры без ворса AlGaN / GaN, которые могут служить связующим слоем на поверхности AlGaN для прикрепления биотина. Биотин обладает очень высоким сродством к белкам стрептавидина. Когда химикаты прикреплены к AlGaN / GaN HEMT, заряды на подключенных химикатах влияют на ток устройства. Прибор показывает явное снижение на 4 мкА, как только этот белок собирается на поверхности, показывая признаки чувствительности белка [41].

8,6. Определение pH

Использование Sc ₂ O ₃ диэлектрика затвора дает превосходные результаты по сравнению с природным оксидом или оксидом, индуцированным ультрафиолетовым излучением озона, в области затвора. HEMT без ворот с Sc ₂ O ₃ в области затвора демонстрируют линейное изменение тока между pH 3–10 и 37 мкА / pH. Датчики pH HEMT демонстрируют стабильную работу с разрешением pH <0,1 во всем диапазоне pH. Результаты показывают, что HEMT могут найти применение при мониторинге изменений pH раствора в диапазоне от 7 до 8, представляющих интерес для анализа крови человека [40].

9. Заключение

В этой главе обсуждались характеристики устройства и анализ производительности HEMT на основе доступной литературы. В этой главе кратко представлены различные структуры и краткий принцип работы. В ней кратко изложены некоторые выдающиеся аналитические и численные исследования по HEMT. I ‐ V характеристики, оценка заряда, расчет емкости, эффекты короткого канала и тепловой отклик HEMT были обсуждены. Кроме того, обсуждались модели дрейфовой диффузии, расчет переноса, моделирование методом Монте-Карло, формализм функций Грина и анализ напряжения сдвига, которые основаны на численных подходах.Генераторы на основе HEMT, усилители, Q-спойлеры, переключатели и диоды приобретают популярность в последние дни. Они были рассмотрены на основе последних исследований. На основе этих последних исследований были рассмотрены будущие направления исследований в области HEMT. И последнее, но не менее важное, многие важные области применения HEMT, такие как широкополосная связь и радиолокационная связь, космические и сенсорные компоненты, обнаружение ДНК, белка и pH, были перечислены, чтобы подчеркнуть огромные перспективы устройств HEMT.Эта глава предоставляет исследователям в соответствующих областях направление будущего совершенствования устройств HEMT с предполагаемыми применениями.

полевых транзисторов для обнаружения газа

1. Введение

Важность и потребность в чувствительных газах, парах и летучих органических соединениях (ЛОС) возрастают в таких областях, как диагностика [1–4], мониторинг окружающей среды для промышленных предприятий. сельское хозяйство, бытовая безопасность и т. д. [4, 5]. Различные типы газовых датчиков и сенсорных массивов были исследованы и разработаны [6–8], включая датчики на основе полевых транзисторов (FET). После доклада о новаторских работах по полевым транзисторам с каталитическими затворами, исследование газовых датчиков на основе полевых транзисторов было распространено на различные типы чувствительных к газу полевых транзисторов.В этой главе представлены полевые транзисторы с каталитическим затвором, полевые полевые транзисторы (SGFET) и полевые полевые транзисторы на основе твердого электролита. Газочувствительные полевые транзисторы на основе наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ), нанопровода (NWs), графен и халькогениды переходных металлов, также были исследованы, потому что высокие отношения поверхности к объему наноматериалов привлекательны для улучшения сенсорных свойств [5, 9]. Эти FET на основе наноматериалов также рассматриваются.

Для распознавания газообразных и летучих аналитов по результатам зондирования были использованы два основных метода [3].В общепринятом способе распознавания используются селективные сенсоры со специфическими рецепторами, предназначенные для селективного взаимодействия с целевыми аналитами [3, 6]. Другой метод распознавания использует комбинацию перекрестно-реактивных сенсорных матриц и методов распознавания образов [3, 6–8, 10]. Эти перекрестно-реактивные сенсорные матрицы состоят из газовых сенсоров, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность. До настоящего времени в сенсорных матрицах применялись различные газовые датчики [6, 8], включая чувствительные к газу полевые транзисторы.В этой главе кратко рассматривается исследование сочетания сенсорных массивов на основе FET и методов распознавания образов.

2. Газочувствительные полевые транзисторы и полевые устройства в сочетании с каталитическими металлическими затворами.

Каталитические полевые транзисторы являются одним из типов газочувствительных полевых транзисторов. В 1975 году Lundström et al. впервые сообщили о полевых транзисторах с Pd-затвором, чувствительных к водороду [11, 12]. Новаторские исследования в области полевых транзисторов с каталитическими затворами открыли область применения газовых сенсоров на полевых транзисторах и других чувствительных к газу полевых устройств, таких как конденсаторные [13–17] и диодные датчики Шоттки [18, 19].Устройства с полевым эффектом каталитического затвора имеют наноразмерный слой каталитических металлов, таких как палладий и платина, в качестве электрода затвора на изоляционных слоях в структуре металл-изолятор-полупроводник (MIS) [20]. На рисунке 1 показаны схематичные иллюстрации этой структуры и пороговое смещение напряжения полевого транзистора с Pd-затвором, чувствительного к водороду [21]. В первоначальных сообщениях о полевых транзисторах с каталитическим затвором Pd в качестве электрода с каталитическим затвором наносился на изолирующий слой МДП-структуры полевого транзистора [11, 12, 21].На рис. 2 показаны изменения, наблюдаемые в пороговом напряжении [11] при введении водорода в полевые транзисторы с Pd-затвором. Газочувствительные механизмы полевых транзисторов с каталитическим затвором и полевых устройств с каталитическим затвором были описаны в предыдущих обзорах [20, 21].

Рис. 1.

Схематические иллюстрации (а) структуры и (б) порогового сдвига напряжения полевого транзистора с Pd-затвором, чувствительного к водороду. Перепечатано с разрешения Ref. [21]. Copyright 1993 Elsevier.

Рисунок 2.

Изменения порогового напряжения в направлении h3 при различных концентрациях при 150 ° C.Перепечатано с разрешения Ref. [11]. Copyright 1975 Американский институт физики.

Пористые металлические затворы в полевых устройствах с каталитическим затвором позволили добиться значительного прогресса в области зондирования NH ₃ [20, 22]. На рис. 3 показаны полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа наблюдения слоев Pt толщиной 3 и 7 нм, испаренных на SiO ₂ . Эти тонкие слои Pt состоят из разрывных металлов [22]. Выбор каталитических материалов, структура каталитического слоя и рабочая температура влияют на чувствительность и селективность полевых устройств с каталитическим затвором [14, 15, 20].Кроме того, тип изоляционных материалов, используемых в структуре МДП, также влияет на чувствительные свойства газочувствительных полевых устройств [16].

Рис. 3.

Микрофотографии просвечивающих электронов пористых металлических слоев Pt толщиной 3 и 7 нм на SiO2. Перепечатано с разрешения Ref. [22]. Copyright 1987 Elsevier.

Для работы при высоких температурах были исследованы полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC). SiC является широкозонным полупроводником и может использоваться в качестве подложки для МДП структуры вместо обычной подложки Si [17].SiC может использоваться при высоких температурах и агрессивных средах из-за его химической инертности [23–25]. Полевые транзисторы на основе SiC были применены для определения CO [23], NH ₃ [23, 24], NO ₂ [24] и SO ₂ [25]. Как и в случае обычных полевых транзисторов с каталитическим затвором, использующих подложку Si, материал каталитического затвора, используемый в полевых транзисторах на основе SiC, влияет на чувствительность и селективность датчика [25].

Устройства с каталитическим затвором, состоящие из транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), также были исследованы для работы при высокой температуре.Например, гетероструктуры GaN / AlGaN, которые демонстрируют двумерный электронный газ (2DEG), индуцированный спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией на границе раздела гетероструктуры, были применены к HEMT с каталитическим затвором в качестве датчика газа [26]. В этом отчете HEMT на основе GaN / AlGaN в сочетании с Pt-затворным электродом работали при температуре около 400 ° C для определения H ₂ , CO, C ₂ H ₂ и NO ₂ .

3. Полевые транзисторы на основе твердого электролита

Твердые электролиты можно также наносить на датчики на основе полевого транзистора.Например, был описан датчик кислорода на основе полевого транзистора, использующий стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ) в качестве твердого электролита (рис. 4) [27]. В этом датчике пленка YSZ была сформирована на изолирующем слое, состоящем из Si ₃ N ₄ и SiO ₂ . Кроме того, наноразмерный слой Pt был нанесен на пленку YSZ в качестве электрода затвора. На рисунке 5 показаны реакции этого датчика на кислород и азот (1 атм) [27]. При комнатной температуре наблюдалась повторная ступенчатая кривая отклика и последующий дрейф.Реакция датчика показала линейную зависимость от парциального давления кислорода в логарифмическом диапазоне от 0,01 до 1 атм. Чувствительность датчика к кислороду возрастала с уменьшением толщины слоя Pt.

Рисунок 4.

Схематическое изображение полевого транзистора на базе YSZ. Основанный на YSZ FET является устройством n-канального типа и режима истощения. Наноразмерный слой Pt формируется на слое YSZ. Перепечатано с разрешения Ref. [27]. Copyright 1988 Американский институт физики.

Рисунок 5.

Реакция при 20 ° C полевого транзистора на основе YSZ на O2 и N2. Перепечатано с разрешения Ref. [27]. Copyright 1988 Американский институт физики.

Для исследования структуры полевого транзистора на основе YSZ для использования в качестве кислородного датчика была исследована кристаллическая структура и электрические свойства пленки YSZ, нанесенной на слой Si ₃ N ₄ методом радиочастотного распыления [28]. На кривой емкость-напряжение наблюдался гистерезис, который, как считается, был вызван движением ионов кислорода и / или электронов в пленке YSZ.Это приводило к нестабильному отклику при комнатной температуре, как указано выше. Следовательно, для повышения стабильности и ускорения отклика кислородного датчика при комнатной температуре в полевом транзисторе на основе твердого электролита должен быть включен электролит с высоким коэффициентом диффузии для ионов кислорода [28].

4. Полевые транзисторы с подвесными воротами

В 1983 году Janata et al. сообщили о SGFET, чувствительном к дипольным молекулам, таким как метанол и метиленхлорид [29]. В SGFET, показанном на рисунке 6, образцы жидкости могут проникать в зазор между изолирующим слоем и подвесной металлической сеткой.Электрохимическая модификация поверхности с использованием полипирролов была использована для улучшения селективности SGFET [30]. В этом отчете описано получение SGFET с дифференциальной селективностью путем химической модификации с полимерным покрытием.

Рисунок 6.

Схематическое изображение подвесных ворот FET. Перепечатано с разрешения Ref. [29]. Copyright 1983 Американский институт физики.

Улучшение производственных процессов является важной темой в исследовании SGFET.Сообщалось о гибридных SGFET, полученных с использованием улучшенного процесса и с использованием различных материалов в чувствительном слое [31]. В процессе изготовления гибридных SGFET затвор и чип корпуса готовятся отдельно и затем объединяются. Эта технология изготовления имеет преимущества по сравнению с обычными методами, поскольку она позволяет включать в структуру разнообразные чувствительные материалы. Метод перевернутой микросхемы также был применен для подготовки SGFET для обнаружения аммиака [32]. В этом отчете, слой полиакриловой кислоты был сформирован на структуре ворот путем распыления.

Воздушный зазор в структуре затвора SGFET вызывает нежелательное влияние на стабильность чувствительности из-за отсутствия пассивации, малого отношения W / L и низкой пропускной способности затвора [33]. Чтобы преодолеть эти недостатки, исследования SGFET были расширены до емкостных управляемых полевых транзисторов (CCFET) [33] и GasFET с плавающим затвором (FGFET) [34]. CCFET содержат структуру FET и газочувствительный конденсатор с воздушным зазором. FGFET являются модификацией CCFET, которые используют плавающий затвор для улучшения стабильности сигнала [34].Сообщалось о FGFET с гибридным газочувствительным верхним электродом (рис. 7а) [34]. В этой структуре газочувствительный конденсатор и считывающий транзистор были объединены в одну микросхему. На рисунке 7b показана эквивалентная принципиальная схема FGFET. Затвор и пластина электрически плавающие, потому что они изолированы слоем SiO ₂ . Этот FGFET был использован для определения H ₂ (500 частей на миллион).

Рисунок 7.

(a) Схематическое изображение и (b) эквивалентная принципиальная схема сообщенного FGFET.Перепечатано с разрешения Ref. [34]. Copyright 2003 Elsevier.

Различные датчики FET могут быть объединены для расширения диапазона чувствительности. Например, SGFET, чувствительный к высоким концентрациям H ₂ , и каталитический затвор с хорошей чувствительностью к низким концентрациям H ₂ были объединены в одном чипе для увеличения диапазона чувствительности [35].

5. Полевые транзисторы на основе наноматериалов

Датчики газа на основе полевых транзисторов были расширены до сенсоров, содержащих наноматериалы.Полевые транзисторы на основе наноматериалов имеют большое отношение поверхности к объему, что способствует высокой чувствительности и быстрому отклику и времени восстановления [3]. Наноматериалы допускают высокую плотность упаковки из-за их собственных небольших размеров [5]. В этом разделе кратко рассматриваются датчики газа на основе FET с использованием наноматериалов, таких как УНТ, NW, графен и халькогениды переходных металлов.

5.1. Полевые транзисторы на основе CNT

Изготовление полевых транзисторов на основе CNT впервые было сообщено в 1998 году [36, 37]. Типичный полевой транзистор на основе УНТ состоит из УНТ, электродов истока и стока, изолирующего слоя и подложки в качестве заднего затвора [38].Как отдельные УНТ, так и случайные сети УНТ могут использоваться для подготовки полевых транзисторов на основе УНТ. В 2000 году сообщалось о химическом стробировании отдельных одностенных полевых транзисторов на основе CNT, вызванных воздействием газообразного NH ₃ или NO ₂ [39]. На сегодняшний день полевые транзисторы на основе УНТ были применены для определения H ₂ [40], CH ₄ [40], CO [40], CO ₂ [41], NO ₂ [40], NH ₃ [40], H ₂ S [40], спирты [42] и образцы дыхания [43].

Для повышения чувствительности и селективности полевых транзисторов на основе УНТ они были модифицированы наноразмерными каталитическими материалами, такими как Pd [40, 44], Pt [40, 44], Rh [40], Au [40, 44], и Ag [44].Кроме того, сообщалось о модификациях с полимерами [41], пептидами [44], обонятельными рецепторными белками [45] и ДНК [46, 47].

5.2. Полевые транзисторы на базе СЗ

5.2.1. Газочувствительные полевые транзисторы с использованием Si NW

В качестве газочувствительного полевого транзистора с использованием одномерных наноматериалов в 2006 году было сообщено о применении полевого транзистора на основе Si для обнаружения NH ₃ [48]. После этого был подготовлен датчик на основе полевого транзистора, состоящий из высокоупорядоченного массива Si NW на гибкой пластиковой подложке, который был применен для измерения уровня NO ₂ на уровне частей на миллиард [49].Кроме того, датчики на основе Si NW были применены для измерения H ₂ [50].

Несмотря на потенциал полевых транзисторов на основе Si для обнаружения газа, чувствительность полевых полевых транзисторов на основе Si к неполярным летучим аналитам ограничена [51]. Чтобы преодолеть это, естественный слой SiO ₂ на поверхности Si Si был химически модифицирован монослоями силана [51]. Модифицированные силаном монослойные полевые транзисторы Si на основе NW использовались для измерения неполярных ЛОС [51] и образцов выдыхаемого воздуха [52].Модификация наночастицами [50] также использовалась для улучшения откликов полевых транзисторов на основе наноматериала Si на целевые аналиты. Кроме того, сообщалось о FET на основе нанолент Si, функционализированного органическим соединением, которое реагирует на нервные агенты при уровнях ниже ppm [53].

5.2.2. Чувствительные к газу полевые транзисторы с использованием оксидов металлов или составных полупроводниковых кристаллов

оксидов металлов, таких как In ₂ O ₃ [54, 55], SnO ₂ [56–58] и α-Fe ₂ O ₃ [59] также были применены к газовым датчикам на основе FET.Например, полевой транзистор In ₂ O ₃ NW был использован для определения NO ₂ и NH ₃ [54].

Модификация поверхности NW наночастицами была использована для улучшения чувствительности и селективности газочувствительных полевых транзисторов на основе NW на основе оксида металла. На сегодняшний день наночастицы Pd [56, 58], Pt [55], Ag [55], Au [55], ZnO [57] и NiO [57] используются для улучшения свойств полевых транзисторов на основе NW на основе оксида металла. для обнаружения газа. Например, Moskovis et al. сообщили о модификации полевых полевых транзисторов SnO ₂ с наночастицами Pd и применении этого устройства для измерения H ₂ [58].В этой работе сообщалось о необычной чувствительности к H ₂ в области истощения заряда устройства [58]. Это устройство использовалось для определения диапазона концентраций H ₂ от 10 до 2500 ppm [58].

СЗ составных полупроводников также применяются в датчиках на основе полевых транзисторов [60, 61]. Гао и его коллеги применили СЗ InAs, который является полупроводником III-V, для изготовления газочувствительного полевого транзистора [60]. Этот датчик на основе FET реагировал на некоторые газы и пары алкоголя [60].

5.3. 2D полевые транзисторы на основе наноматериалов

Из-за высокого отношения поверхности к объему при взаимодействии на молекулярном уровне двумерные наноматериалы привлекательны для использования в сенсорах на основе полевых транзисторов [5, 62]. Изучено применение двумерных наноматериалов, таких как графен и халькогениды переходных металлов, к газовым сенсорам типа FET.

С тех пор, как впервые было сообщено о потенциале сенсоров на основе графена для определения газа [63], в других исследованиях исследовалось измерение газа с использованием полевых транзисторов на основе графена [62, 64].Сообщенный FET на основе графена показан на рисунке 8 [64]. На рисунке 8а показано изображение атомной силовой микроскопии (АСМ) FET на основе графена. Принципиальная схема полевого транзистора с задним затвором показана на рисунке 8b [64]. В этой структуре полевой транзистор состоит из образца графена, соединенного с электродом истока и стока из Au / Cr, слоя SiO ₂ и подложки p-Si в качестве заднего затвора. В этом отчете датчик использовался для определения паров NH ₃ [64].

Рисунок 8.

(а) АСМ-изображение и (б) схематическое изображение полевого транзистора на основе графена. Перепечатано с разрешения Ref. [64]. Copyright 2009 Американское химическое общество.

В качестве двумерных наноматериалов халькогениды переходных металлов MoS ₂ [65], MoTe ₂ [66] и WS ₂ [67] также были применены в газовых сенсорах на основе FET. На рисунке 9а показана схематическая иллюстрация полевого транзистора с задним затвором на основе MoS ₂ [5]. На рисунке 9b показано оптическое изображение полевых транзисторов на основе MoS ₂ .В этом FET листы MoS ₂ были выращены на подложке SiO ₂ / Si с Ti / Au в качестве электродов истока и стока. Этот датчик реагировал на 20 ppb NO ₂ и 1 ppm NH ₃ [5].

Рис. 9.

(a) Схематическое изображение и (b) оптическое изображение полевого транзистора на основе нанопроволоки MoS2 с задним затвором. Перепечатано с разрешения Ref. [5]. Copyright 2014 Американское химическое общество.

6. Комбинация газовых сенсоров и методов распознавания образов

Согласно более раннему обзору [6], рецепторы в обонятельных системах млекопитающих не показывают высокоселективных реакций против специфических аналитов.Считается, что методы распознавания образов являются доминирующим способом, используемым при обработке сигналов от широких реакций обонятельной системы млекопитающих [6].

Массивы перекрестно-реактивных химических сенсоров в сочетании с методами распознавания образов, имитирующими обонятельные системы млекопитающих, были изучены в качестве альтернативы сенсорной системе традиционным сенсорным устройствам, использующим конструкцию «замок-ключ» [6]. В массивах интеллектуальных датчиков, использующих методы распознавания образов, сложные образцы, генерируемые неспецифическими перекрестно-реактивными датчиками, анализируются для классификации и идентификации аналитов [3, 6–8].Массивы перекрестно-реактивных датчиков построены с использованием датчиков, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность [3, 6]. Обычные полупроводниковые процессы могут применяться для миниатюризации датчиков на основе FET для изготовления перекрестно-реактивных сенсорных матриц.

Перед анализом данных сложные сигналы, полученные из массивов датчиков, могут быть предварительно обработаны и нормализованы для применения соответствующих вычислительных методов [7, 8, 10]. После предварительной обработки и извлечения признаков выбранный метод выполняется.В настоящее время не существует общего правила выбора вычислительных методов. Следовательно, вычислительные методы должны быть соответствующим образом выбраны с учетом характера данных и конкретной ситуации [7].

Различные типы массивов датчиков газа использовались с методами распознавания образов [6–8], в том числе матрицы датчиков на основе FET. Например, Lundström et al. сообщалось о комбинации массивов газовых датчиков на основе FET с каталитическими затворами и методов распознавания образов [68, 69]. Сигналы от массивов датчиков на основе FET обрабатывались с использованием обычной частичной регрессии наименьших квадратов и искусственной нейронной сети для прогнозирования концентрации отдельных газов [69].Молекулярно модифицированные датчики FET на основе Si NW также были объединены с искусственной нейронной сетью для распознавания ЛОС и оценки их концентраций [70].

7. Обзор и перспективы

Для введения чувствительных к газу полевых транзисторов в этой главе представлен широкий обзор полевых транзисторов с каталитическим затвором, полевых полых транзисторов на твердом электролите, полевых полевых транзисторов и полевых транзисторов на основе наноматериалов. Массивы этих датчиков могут быть объединены с вычислительными методами распознавания образов. Как уже говорилось, комбинация сенсорных матриц с перекрестно-реактивным газом и методов распознавания образов является многообещающим методом распознавания аналитов в газовой фазе.Массивы перекрестно-реактивных датчиков должны содержать датчики, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность. Обычные полупроводниковые процессы могут быть использованы для миниатюризации датчиков на основе FET. Датчики на основе FET могут иметь преимущества перед другими датчиками, используемыми в миниатюризации устройства перекрестно-реактивных сенсорных матриц.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Программы Совета по науке, технологиям и инновациям ImPACT.

Что такое униполярный / полевой транзистор?

полевой транзистор (FET) — также известный как униполярный транзистор , представляет собой трехконечный (три электрода) управляемый напряжением полупроводниковый электронный компонент, который способен усиливать электрический сигнал Семейство полевых транзисторов состоит из группы нескольких типов различных компонентов, общей особенностью которых является косвенное влияние электрического поля на сопротивление полупроводника или сопротивление тонкого непроводящего слоя.Теоретически, полевым транзистором можно управлять без потребления энергии. Только один тип несущих нагрузки принимает участие в работе компонента, отсюда и униполярное название, тогда как контроль выходного тока осуществляется с использованием электрического поля (полевые транзисторы).

FET — Внутренняя конструкция и принцип действия

Униполярный транзистор имеет три электрода:

• Слив «D» — электрод, к которому достигаются носители нагрузки.Ток стока — I _D , напряжение сток-исток — В _DS ,
• Затвор «G» — электрод, управляющий потоком зарядов. Ток затвора — I _G , напряжение затвора — В _GS ,
• Источник «S» — электрод, с которого носители нагрузки поступают в канал. Ток источника обозначается как I _S .

Это эквиваленты электродов в биполярных транзисторах .Два из них: Drain и Source подключены к правильно легированному полупроводниковому кристаллу. Между этими концами создается канал, по которому течет ток. Третий конец размещен вдоль канала: Гейт , благодаря которому мы можем контролировать течение тока. В случае подключения нескольких МОП-транзисторов в интегральной схеме часто используется четвертый электрод: B — Корпус (или Bulk ) для смещения подложки. Но в целом этот конец связан с источником.

FET — Задания для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи полевого транзистора, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных заданий ,

Разделение полевых транзисторов

В зависимости от принципов и законов работы мы можем выделить два основных типа полевых транзисторов, которые далее разделены, как показано на рис.1. ниже:

Рис.1. Разделение полевых транзисторов

JFET — принцип построения и принцип действия

Транзистор JFET состоит из полупроводникового слоя n-типа в транзисторах JFET с N-каналом или полупроводника p-типа в транзисторах с J-транзистором с P-каналом. Эти слои образуют канал. Электроды подключены к обоим концам канала. В транзисторах JFET затвор изолирован от канала с помощью обратного смещения (с очень высоким входным сопротивлением).

должны быть поляризованы таким образом, чтобы носители перемещались от истока к стоку, а соединение затвора с каналом затвора должно было иметь обратное смещение.

Существует два варианта этого соединения:

• P-N-переход (PNFET),
• M-S-переход (металл-полупроводник).

Канал, по которому будет течь ток, расположен между стоком и истоком. Можно контролировать ширину канала (его сопротивление), изменяя напряжение затвор-источник (V _GS ). Повышение напряжения V _GS (которое смещает обратный контакт) вызывает сужение канала до его полного «закрытия» — ток не будет течь.К напряжению V _GS добавляется падение напряжения между определенной точкой канала и источником (V _DS ). Увеличение значения напряжения V _DS в конечном итоге соединит истощающие слои и заблокирует канал путем насыщения транзистора. Значение тока утечки I _D не будет расти независимо от дальнейшего увеличения напряжения V _DS , и транзистор становится очень хорошим компонентом для преобразования.

Рис. 2. Символы JFET

Рис.3. Внутренняя структура JFET с каналом «N» типа

МОП-транзистор (Metal-Oxide Semiconductor FET) — Принцип построения и принцип действия

В МОП-транзисторе затвор изолирован от канала слоем диэлектрика. Область, обозначенная «N +», является сильно легированным полупроводником типа «N». В случае транзисторов E MOS с напряжением V _GS = 0 канал заблокирован (его сопротивление принимает значение МОм, а ток I _D не течет).При увеличении напряжения канала V _GS увеличивается его проводимость, и после достижения определенного значения, называемого пороговым напряжением V _T , протекание тока стока I _D стало возможным через канал. Ток стока MOSFET регулируется сигналом напряжения затвора величиной до нескольких вольт, что обеспечивает совместимость с любыми системами MOS, особенно CMOS. Мощность, необходимая для управления ею, очень мала, а площадь безопасной работы больше, чем у BJT транзисторов .Кроме того, время переключения также меньше по сравнению с BJT.

Минимальное значение сопротивления канала, указанное производителем, можно найти в технических характеристиках как rds _на (оно зависит от максимального напряжения транзистора V _DS . Значение тока I _D , который будет проходить через созданный канал зависит от напряжения V _DS , но не является линейным отношением. Он описывается формулой:

β — коэффициент усиления усилителя тока
Этот ток влияет на состояние смещения затвора путем изменения это, что приводит к сужению канала около стока.В случае дальнейшего увеличения напряжения затвор-источник V _GS , в какой-то момент отключение напряжения V _GSoff будет превышено, что приведет к потере созданного канала (V _GS = V _DS )

• Режим истощения MOSFET — D MOS (обычно включен):

Рис. 4. Символы D MOS

• Режим улучшения MOSFET — E MOS (обычно выключен):

Рис. 5. E Символы MOS

Рис.6. Внутренняя структура E MOS с каналом типа «N»

FET — режимы работы

Существует три режима работы транзисторов:

• Режим отсечки: | V _GS | > | V _T | в любом | V _DS |,
• Активный режим (также известный как линейный или ненасыщенный): | V _GS | <| V _T | и | V _DS | <= | V _DSsat |,
• Режим насыщения : | V _GS | <| V _T | и | V _DS | => | V _DSsat |.

Примечание: Во многих странах единица и символ напряжения называются «V» вместо «U», как в этой статье.

FET — Основные параметры

• В _{DS макс.} — максимальное напряжение сток-исток,
• I _Dmax — максимальный ток стока,
• В _GSmax — максимальный ток затвор-источник,
• P _totmax — допустимая потеря мощности,
• В _T — пороговое напряжение, при котором ток начинает течь,
• I _DSS (V _GS = 0) — ток насыщения при определенном токе V _DS ,
• гс [S-Siemens] — коэффициент трансдуктивности,
• rds _(вкл) — минимальное значение сопротивления канала транзистора, работающего в режиме ненасыщенности,
• I _Gmax — максимально допустимый ток затвора,
• I _{D (ВЫКЛ)} — ток стока в отсечке де — при напряжении | V _GS | > | V _{GS (OFF)} |.

FET — Вольт-амперные характеристики

Передаточные характеристики — они описывают зависимость тока стока I _D от напряжения затвор-исток V _GS с определенным стоком-истоком V _GS напряжение.

Рис. 7. JFET «N»

Рис. 8. D MOS «N»

Рис. 9. E MOS «N»

• Характеристики слива (для полевого типа «N») — описывает отношение тока стока I _D от напряжения стока-источника В _DS с определенным напряжением затвора В _GS .Область характеристик была разделена на две части: активную и насыщенную область.

Рис. 10. Характеристики стока (для однополярного транзистора типа «N»)

Практическое применение — униполярный МОП-транзистор — NMOS-транзистор

В практическом упражнении показано влияние транзистора NMOS в его простейшей форме. в качестве транзисторного ключа. Такое использование в основном работает в приложениях микроконтроллеров, оно используется для управления сигналом от микроконтроллера к внешним приемникам.

Для этого упражнения нам понадобятся следующие вещи:

Схема подключения цепи выглядит следующим образом:

Рис. 11. Схема подключения цепи: V2: источник питания постоянного тока 9 В, D1: белый светодиод, R1: резистор 220 Ом , M1: транзистор BUZ11, резистор R2: 1 кОм, аккумулятор V1: 3 В (в схеме синусоидальный источник используется для иллюстрации работы транзистора). Обратите внимание, что символы на схеме отличаются для транзистора, но имеют параметры, аналогичные BUZ11.

Готовая подключенная цепь на макете показана ниже на рис. 12:

Рис. 12. Иллюстрация подключения макета

Система после подключения питания 9 В не показала никаких действий. После подключения аккумулятора к цепи светодиод начал светиться. Это простейший способ проиллюстрировать принцип действия напряжения V _T (пробивное напряжение) в однополярных транзисторах. В транзисторе BUZ11 диапазон напряжения VGSTh составляет от 2.От 1 до 4 В. Используя аккумуляторы 3 В, мы получаем напряжение, достаточное для открытия канала между стоком и истоком в униполярном транзисторе. После этого светодиод начинает светиться.

Рис. 13. Еще одна иллюстрация подключения и работы макета

Кроме того, на графике ниже мы видим напряжения на батарее V (n005), которая варьируется от 3 до -3 В и подается на затвор транзистора, между током на светодиоде I (D1). Кроме того, на форме сигнала мы видим напряжение VDS, внешний вид формы сигнала зависит от времени включения транзистора.

Рис. 14. Иллюстрация подключения макета