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寬帶隙材料，例如氮化鎵正在成為使電子性能更上一層樓的技術(shù)。與硅器件相比，基于GaN的電子元件具有許多重要優(yōu)勢，包括更緊湊的尺寸、更高的功率密度、更高的效率、更低的開關(guān)損耗和更好的熱管理。這些因素對于?滿足與高功率和高密度應(yīng)用相關(guān)的日益嚴(yán)格的要求至關(guān)重要。
1.為什么GaN的寬帶隙如此重要？
幾十年來，大多數(shù)電力電子器件都是以硅為基礎(chǔ)的，硅是一種可以低成本制造并且?guī)缀鯖]有缺陷的半導(dǎo)體。硅的理論性能現(xiàn)在幾乎已經(jīng)完全達(dá)到，突出了這種材料的一些限制，包括有限的電壓阻斷和有限的傳熱能力、效率和不可忽略的傳導(dǎo)損耗。寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體，如氮化鎵(氮化鎵)，提供優(yōu)于硅的性能，如更高的效率和開關(guān)頻率，更高的工作溫度和更高的工作電壓。
氮化鎵的帶隙為3.2電子伏(eV)，比硅的帶隙高出近3倍，等于1.1 eV。這意味著需要更多的能量來激發(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電帶中的價電子。雖然這種特性限制了氮化鎵在超低電壓應(yīng)用中的使用，但它具有允許更高擊穿電壓和更高溫度下更高熱穩(wěn)定性的優(yōu)勢。GaN大大提高了功率轉(zhuǎn)換級的效率，在高效電壓轉(zhuǎn)換器、功率MOSFETs和肖特基二極管的生產(chǎn)中成為硅的寶貴替代品。與硅相比，氮化鎵可以獲得重要的改進(jìn)，例如更高的能效、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總成本。
2.GaN和SiC相似嗎？
氮化鎵和碳化硅都是寬帶隙材料。雖然這些材料都具有出色的性能，但它們的特性、應(yīng)用和柵極驅(qū)動要求各不相同。碳化硅可以在高功率和超高壓(650伏以上)應(yīng)用中與IGBT晶體管競爭。同樣，在電壓高達(dá)650伏的電源應(yīng)用中，氮化鎵可以與當(dāng)前的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和超級結(jié)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管競爭。
3.耗盡模式和增強(qiáng)模式有何不同？
GaN晶體管的基本結(jié)構(gòu)，稱為d型或耗盡型，如圖1上側(cè)所示。源極(S)和漏極(D)電極穿過AlGaN上層，與下層形成歐姆接觸，由二維電子氣體(2DEG)形成。源極和漏極之間的短路保持活躍，直到2DEG層釋放的電子耗盡，之后氮化鎵半絕緣層介入阻擋電流。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，柵電極(G)必須放置在AlGaN層的頂部。通常，柵電極由直接置于層表面的肖特基接觸組成。通過向該電極施加負(fù)電壓，肖特基勢壘變成反向極化，有利于電子在下層的移動。因此，為了使器件處于關(guān)斷狀態(tài)，有必要對漏極和源極施加負(fù)電壓。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是它通常處于開啟狀態(tài)，在通電階段給設(shè)計(jì)者帶來潛在的問題。然而，d模式結(jié)構(gòu)提供了與傳統(tǒng)低壓硅MOSFET具有相同柵極特性的重要優(yōu)勢，允許使用已經(jīng)可用的MOSFET柵極驅(qū)動器。
在高功率應(yīng)用中，使用增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)(e模式)。當(dāng)沒有柵極電壓施加到電子甘晶體管(如圖1的底側(cè)所示)時，晶體管保持關(guān)斷狀態(tài)，沒有電流流動。該器件由硅晶片制成，在硅晶片上沉積氮化鎵異質(zhì)結(jié)，當(dāng)沒有電壓施加到柵極時，形成通常處于關(guān)斷狀態(tài)的器件。導(dǎo)電通道是通過在高強(qiáng)度氮化鎵層上沉積一薄層氮化鎵制成的。AlGaN和GaN之間的界面產(chǎn)生應(yīng)變壓電效應(yīng)，形成高度可移動的二維電子氣體(2DEG)。器件的上層由電介質(zhì)和金屬布線保護(hù)組成。如此獲得的結(jié)構(gòu)允許場效應(yīng)晶體管通過向柵電極施加正電壓而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。
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圖1: GaN耗盡模式和增強(qiáng)模式結(jié)構(gòu)
4.GaN如何在高頻下工作？
氮化鎵高電子遷移率晶體管在導(dǎo)通電阻和品質(zhì)因數(shù)(FOM)方面都有很好的表現(xiàn)。根據(jù)額定電壓和電流，品質(zhì)因數(shù)可能比超結(jié)場效應(yīng)晶體管低4到10倍。因此，氮化鎵適用于高頻操作。使用具有低RDS(開)值的GaN HEMT降低了傳導(dǎo)損耗并提高了效率。
5.GaN有體二極管嗎？
氮化鎵HEMTs沒有本征體二極管，因此反向恢復(fù)電荷為零。這些器件自然能夠反向?qū)?，并根?jù)柵極電壓具有不同的特性。在系統(tǒng)層面，反向傳導(dǎo)能力可能比傳統(tǒng)的IGBTs更具優(yōu)勢，因?yàn)椴恍枰床⒙?lián)二極管。
通過消除反向恢復(fù)損耗，氮化鎵甚至可以在高開關(guān)頻率下高效工作。例如，在連續(xù)導(dǎo)通模式下的無橋圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)中，由于反向恢復(fù)損耗高，使用超結(jié)MOSFETs是不切實(shí)際的。如圖2所示，通過使用氮化鎵晶體管作為高頻開關(guān)，反向恢復(fù)損耗被完全消除，相關(guān)的開關(guān)損耗顯著降低。
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圖2
6.為什么GaN高擊穿場是優(yōu)勢？??略
7.對于射頻應(yīng)用，GaN的主要優(yōu)勢是什么？
氮化鎵的電子遷移率為2000 cm2/Vs，比電子遷移率為1500 cm2/Vs的硅高得多。因此，氮化鎵晶體中的電子移動速度比硅快30%以上。這一突出的特性使氮化鎵在射頻應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢，因?yàn)樗梢蕴幚肀裙韪叩拈_關(guān)頻率。
8.GaN熱導(dǎo)率低是個問題嗎？
氮化鎵的熱導(dǎo)率比硅低(1.3 W/cmK對1.5 W/cmK)。然而，氮化鎵的高效率有助于降低電路產(chǎn)生的熱負(fù)載，這意味著它將在比硅更冷的溫度下工作。這提供了更好的熱管理，并避免了對外部散熱器的需求。
9.GaN晶體管的dv/dt要求是什么？?
與硅相比，氮化鎵支持更快的開關(guān)速率，因此需要更高的壓擺率(100 V/ns或更高的dV/dt)。這有助于大幅降低開關(guān)損耗。
10.關(guān)閉氮化鎵晶體管需要負(fù)電壓嗎？?略