氮化镓晶体管的结构及优缺点

氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET是近两三年来新兴的功率半导体，相比于传统的硅材料功率半导体，他们都具有许多非常优异的特性：耐压高，导通电阻小，寄生参数小等。他们也有各自与众不同的特性：氮化镓晶体管的极小寄生参数，极快开关速度使其特别适合高频应用。碳化硅MOSFET的易驱动，高可靠等特性使其适合于高性能开关电源中。

氮化镓晶体管的结构

与硅材料的功率半导体不同，氮化镓晶体管通过两种不同禁带宽度(通常是AlGaN和GaN)材料在交界面的压电效应形成的二维电子气(2DEG)来导电，如图所示。由于二维电子气只有高浓度电子导电，因此不存在硅MOSFET的少数载流子复合(即体二极管反向恢复)的问题。

图：氮化镓导电原理示意图

图所示的基本氮化镓晶体管的结构是一种耗尽模式(depletion-mode)的高电子移动率晶体管(HEMT)，这意味着在门极和源极之间不加任何电压(VGS=0V)情况下氮化镓晶体管的漏极和元件之间是导通的，即是常开器件。这与传统的常闭型MOSFET或者IGBT功率开关都完全不同，对于工业应用特别是开关电源领域是非常难以使用的。为了应对这一问题，业界通常有两种解决方案，一是采用级联(cascode)结构，二是采用在门极增加P型氮化镓从而形成增强型(常闭)晶体管。两者结构如图所示。

图：两种结构的氮化镓晶体管

级联结构的氮化镓是耗尽型氮化镓与一个低压的硅MOSFET级联在一起，该结构的好处是其驱动与传统硅MOSFET的驱动完全相同(因为驱动的就是一个硅MOSFET)，但是该结构也有很大的缺点，首先硅MOSFET有体二极管，在氮化镓反向导通电流时又存在体二极管的反向恢复问题。其次硅MOSFET的漏极与耗尽型氮化镓的源极相连，在硅MOSFET开通和关断过程中漏极对源极出现的振荡就是氮化镓源极对门极的振荡，由于此振荡时不可避免的，那么就存在氮化镓晶体管被误开通和关断的可能。最后由于是两个功率器件级联在一起，限制了整个氮化镓器件的导通电阻的进一步减小的可能性。

氮化镓晶体管的优缺点

作为第三代半导体的天之骄子，氮化镓晶体管日益引起工业界的重视，且被更大规模应用。GaN具备很多性能优势，比如更大的禁带宽度、更高的临界场强，所以氮化镓功率器件具有高耐压、低导通电阻、寄生参数小等优异特性。当应用于开关电源领域中，具有损耗小、工作频率高、可靠性高等优点，可以大大提升开关电源的效率、功率密度和可靠性等性能。

氮化镓晶体管被广泛用于无线设备中，作为频率高达100 GHz的功率放大器。一些主要的用例是蜂窝基站功率放大器、军用雷达、卫星发射器和通用射频放大。然而，由于高压(高达1,000 V)、高温和快速开关，它们也被纳入各种开关电源应用，如DC-DC转换器、逆变器和电池充电器。

氮化镓晶体管能提供卓越的性能和极好的散热。要实现最大的功率性能，即使以千瓦为单位，也必须最大限度地提高项目的电气和散热品质。如果系统被正确地分析和设计，它实际上可以在相对较低的节温下获得非常高的功率输出。所使用的技术涉及各种参数，例如，散热器的位置、形状和高度、焊缝的形状和尺寸、GaN器件的并联以及开关频率。氮化镓晶体管在市场上的应用越来越多，其特点是具有更高的电压和电流以及较低的结电阻，以满足公司在大功率领域的所有需求。

综合整理自沃泰芯半导体、玩转嵌入式、安森美