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HEMT i transistor più veloci di tutti i tempi!!!

struttura_hemt

Lo scopo di questo articolo è quello di diffondere qualche nozione basilare su i transistor ad alta mobilità degl'elettroni ossia gli HEMT.. Come vedremo questi dispositivi trovano largo uso in applicazioni in cui è importante garantire sia banda che potenza elevate, cosa che accade spesso e volentieri nei front-end analogici degli apparati ricetrasmittenti di ultima generazione..le frequenze in gioco superano i 200GHz e le potenze oltre i 100W !! Davvero dei dispositivi unici e senza i quali sarebbe davvero difficile riuscire a tutto ciò che riescono a fare oggi i nostri smartphone ! 

Negli ultimi anni tutti noi abbiamo assistito ad uno sviluppo costante dei sistemi di comunicazione wireless, in primis ad esempio, quello degli smartphone, ma tale evoluzione è sfociata anche nei sistemi satellitari, e quindi per la radio e la televisione (anch'essa oggi una SmartTV). Tutti questi sistemi necessitano di poter usufruire di più servizi, ad esempio oggi il tipico smartphone non si accontenta più della “semplice capacità di telefonare”, ma minimo deve essere in grado anche di stabilire una connessione dati per poter navigare su internet, e lo stesso lo si può dire anche per le ultime “SmartTv”. Tutto questo ha imposto al mondo delle telecomunicazioni di aver a disposizione dei mezzi trasmissivi a frequenze più elevate e potenze maggiori in modo tale da poter soddisfare le esigenze suddette. Tutto questo si traduce ,in termini più tecnici, in disporre di apparati dotati di amplificatori che possano lavorare  al massimo delle loro capacità sia a frequenze elevate (bande C e Ke) che a potenze superiori ai 100W: tutto ciò ha letteralmente “spianato” la strada ai transistor ad hyper mobilità...ossia gl' HEMT !

Infatti, ci basta sapere che ad esempio è possibile far lavorare questi dispositivi ad una frequenza di taglio di 300GHz, alla quale questi dispositivi presentano una  transconduttanza (gm) ancora molto elevata il che permette avere un guadagno elevato a frequenze stratosferiche !

Inizialmente, la loro struttura si basava sulle cosiddette etero giunzioni in AlGaAs/GaAs in cui si sfrutta la creazione di una regione di svuotamento in cui non valgono più le classiche equazioni della fisica..ma entra in gioco la meccanica quantistica con le equazioni di Schrodinger...Questa regione particolare si chiama "buca quantica" perchè presenta le dimensioni di pochi nanometri !!

Comunque per non appesantire troppo la trattazione torniamo alla storia di questi dispositivi: sin dai primi anni di sviluppo di questa tecnologia, si è assistito all’introduzione di nuovi materiali che potessero sostenere le crescenti richieste  del mercato di cui parlavamo prima. La soluzione è stata trovata con l’utilizzo di materiali con alto valore di Energy Gap come il SiC e il GaN (Nitruro di Gallio); quest’ultimo, a differenza del SiC, permette di generare etero giunzioni le quali a loro volta permettono di ottenere valori record della mobilità degl'elettroni nel canale. Il GaN presenta significativi aspetti nel raggiungimento di prestazioni migliori da parte dei dispositivi. Il principale sicuramente è l’alto valore di Energy gap diretto come già detto..

 

Per chi non è di mestiere, l'energy gap (Eg) è l'energia necessaria che l'elettrone deve avere per passare dalla banda proibita alla banda di conduzione..nel silicio è tipicamente 1,4 eV. Il fatto che questa lega presenti un Eg molto più elevato di quello del silicio, fa sì che il campo elettrico di break down (ossia il campo elettrico massimo che si può presentare ai capi della giunzione..oltre il quale si ha la perforazione del gate), consente l’applicazione degli HEMT al GaN a temperature di lavoro molto elevate, oltre che ad alte frequenze. 

 

Gli ultimi dispositivi HEMT realizzati  con lega AlGaN/GaN  presentano le caratteristiche ottimali sia in termini di prestazioni in frequenza che in potenza e per questo la loro applicazione è soprattutto rivolta per gl'amplificatori di Front-End degli apparati Tx/Rx, ma non solo infatti vengono utilizzati con altissimo rendimento anche nei dispostivi Led (diodi verdi o blue) e nei dispositivi laser. Infatti, le cosiddette luci a Led di cui sentiamo ultimamente tanto parlare, sono proprio realizzate con dispositivi a eterogiunzione, ove il colore della luce viene ottenuto giocando sulla particolare eterostruttura e più di preciso, sul valore del Eg da cui lo spettro della luce emessa dipende. Come si può vedere dalla figura sottostante con i valori di Eg ottenibili dalla leghe si possono ottenere diverse tonalità di colori:

 

 

Passiamo adesso ad analizzare una ulteriore proprietà di questi dispositivi: il GaN è un materiale che presenta due tipi di polarizzazione: quella spontanea (dovuta alla simmetria della struttura del reticolo atomico), ne subisce anche una piezoelettrica, la quale nasce allor quando viene fatto crescere uno strato di GaN al di sopra di un reticolo di natura differente. Ricordiamo che l'effetto piezoelettrico permette di generare una differenza di potenziale attraverso una deformazione meccanica del reticolo, ad esempio sottoponendo ad una certa pressione, ossia “schiacciando” il dispositivo in modo da deformarlo.
Concludendo dobbiamo dire però che “non è tutto oro ciò che luccica”, infatti il processo tecnologico che permette la realizzazione di questi dispositivi è davvero molto ma molto costoso..e per questo al giorno d'oggi è davvero difficile avere per le mani un dispositivo del genere nel campo hobbistico ovviamente...E poi si aggiunge anche il fatto che tale processo presenta ancora tante problematiche dovute alla presenza di strati trappola all'interno della crescita del materiale stesso, i quali comportano essenzialmente ad un deterioramento della struttura e a possibili rotture dovute alla perforazione del gate...Quindi questa tecnologia è davvero ancora molto sensibile e quindi ancora lontana da una diffusione su mercati più vicini al campo dell'hobbistica ad esempio, quella radio amatoriale.

 

Concludo lasciandovi qualche link di circuiti realizzati con HEMT:

http://www.highfrequencyelectronics.com/Archives/Dec09/HFE1209_Grebennikov.pdf

 

http://www.merakit.com/2010/08/high-frequency-low-noise-amplifiers.html

 

Qui un radiometro utilizzato dalla Nasa:

http://arcade.gsfc.nasa.gov/radiometers.html

 

 

 

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ritratto di Dreamworker

Articolo molto interessante,

Articolo molto interessante, mi è capitato di vedere alcuni test sugli HEMT durante il mio lavoro di ricerca nel Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione e devo dire che sono degli oggetti molto interessanti.

ritratto di divivoma

grazie.. dai speravo che non

grazie.. dai speravo che non fossero del tutto "sconosciuti al pubblico" amante dell'elettronica :)

ritratto di Piero Boccadoro

Un buon pezzo.

Devi dire che questo è un buon articolo.
Per me è un ripasso ma per chi non conosce l'argomento, direi che sintetizza e schematizza bene un tema piuttosto spinoso e difficile da spiegare.
Complimenti.

ritratto di divivoma

grazie piero ..sono contento

grazie piero ..sono contento sia abbastanza chiaro..
ciao

 

 

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