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从原理到实例:GaN为何值得期待?

来源:维安WAYON

#维安电子#

2021-11-30

    功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要指能够耐受高电压或承受大电流的半导体分立器件,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。在功率半导体的发展路径中,功率半导体从结构、制程、技术、工艺、集成化、材料等各方面进行了全面提升,其演进的主要方向为更高的功率密度,更小的体积,更低的成本及损耗。特别是材料迭代方面,从硅Si材料逐渐向氮化镓(GaN)等宽禁带材料升级,使得功率器件体积和性能均有显著提升。

    那么什么是第三代半导体GaN呢?它是由氮和镓组成的一种半导体材料,由于其禁带宽度大于2.2eV, 因此又被称为宽禁带半导体材料。

表一  GaN与Si的关键特性对比

    表一对比了GaN和Si的几种物理参数,不可否认,GaN展现出了更好的性能优势,主要分为以下四点:

    1、禁带宽度大宽禁带使材料能够承受更高温度和更大的电场强度。器件在工作温度上升时, 本征激发的载流子浓度也不会很高, 因此能够应用到更高温度的特殊环境下。

    2、高击穿电场:GaN本身的击穿场强为3.3E+06,约是Si的11倍,同样耐压条件下,GaN耗尽区展宽长度可以缩减至Si的0.1倍,大大降低了漂移区电阻率,以获得更低的Ron和更高的功率性能。

    3、高电子饱和漂移速率:在半导体器件工作过程中,多数是利用电子作为载流子实现电流的传输。高电子饱和漂移速率可以保证半导体器件工作在高电场材料仍然能保持高的迁移率,进而有大的电流密度,这是器件获得大的功率输出密度的关键所在。这也是GaN材料最明显优势所在。

    可以看到,表格中GaN的电子迁移率并不高,为什么称之为高电子迁移率晶体管呢?原因在于GaN&AlGaN因为材料特性在界面感应形成的二维电子气(2DEG), 2DEG在2-4nm薄薄的一层中存在且被约束在很小的范围,这种限域性使得电子迁移率增加到1500~2000cm²/(V·s)目前技术已经使电子迁移率达到2200 cm²/(V·s)。

    4、良好的耐温特性:可以看到,GaN和Si的热导率基本差异不大,但是GaN可以比Si能拥有更高的结温。因此,同时良好的热导率加上更高的热耐受力共同提升了器件的使用寿命和可靠性。

    GaN器件优越的性能也其器件结构有极大的关系。目前,产业化的GaN器件在走的两种路线是P-GaN方式的增强型器件和共源共栅两种结构,两种结构市场上声音不同,大家仁者见仁。

图1 主流GaN的两种结构

    由于GaN器件对寄生参数极其敏感,因此相较于传统的Si基半导体器件的驱动电路,GaN的驱动要求更为严苛,因此对其驱动电路的研究很有意义。在实际的高压功率GaN器件应用过程中,我们用GaN器件和当前主流的SJ MOSFET在开关特性和动态特性上做了一个对比,更详细的了解其差异所在。

表二  GaN 器件DC参数

    从上图GaN晶体管的DC参数可以看到,其在直流参数上,没有反向二极管(0 Reverse Recovery),主要原因在于GaN晶体管没有SJ MOSFET的寄生PN结。此外,两者在直流参数以及Vth等也有着不小的区别,同规格情况下,GaN晶体管比SJ MOS有着更小的饱和电流以及更高的BV值,这也是受限于其芯片面积和无雪崩能力的特殊特性;同时更低的驱动电压和栅极电荷Qg,造就了其高频低损的优良开关特性。

图2  GaN&Si电容特性对比

    从器件的电容上看到, SJ MOSFET的电容在50V内非线性特征明显,同时整体的电容值要比GaN器件大很多(结电容是GaN的3倍)。这是因为,二维电耦合型的SJ器件虽然比平面MOS拥有着更小的器件面积,但由于其依靠靠PN结的横向耗尽来实现抗耐压,因此PN结的接触面积要大很多,在器件D-S间电压较低时,PN结内建电场形成的接触面造成了其初始Coss&Crss等参数要比D-S高电压状态大几个量级;同时器件从不完全耗尽到全耗尽状态,器件空间电荷区展宽,导致了CGD和CDS在电容曲线上出现突变点。这种电场在很窄电压范围的突变,也恰恰影响着工程师们关注的EMI问题,如何去优化使其曲线变缓成为多家设计公司的特色工艺。

图3   硅器件Cgd突变 

    然而GaN的出现,却轻松的解决了该问题,GaN的电容曲线变化相对在一个较小的范围,且不存在突变,因此在电源应用的EMI调试过程,效果优于SJ MOSFET。接近线性的Coss,使得应用开关过程dv/dt的波形更接近一个没有弧度的斜线让其变得优雅。

 图4  GaN反激Vds开关上升沿

    较低的结电容也使得器件的能量等效电容(Coer)和Eoss远小于同规格SJ MOS器件,使得电源在硬开关过程中的容性损耗大大减小,能够显著减少器件发热;与此同时,在电源软开关过程中达到ZVS所抽取的结电容电荷更少,使得系统拥有更高的开关频率和更小的死区时间,进一步的减小系统体积。

图五  GaN&Si器件Eoss和Coer差异

    随着GaN的高效率得到实际验证,市场对于GaN的信心逐渐增强,优势日益显著以及用量不断增长,未来功率GaN技术将成为高效率功率转换的新标准。以下是维安新推出的E-Mode GaN器件,欢迎大家前来索样并与维安的专家讨论其特性。

表三   维安GaN晶体管新品列表

责编: 爱集微

爱集微

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