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來源：DigiKey 作者：Bill Schweber 我得承認(rèn)一件事。我在電子行業(yè)工作多年，既是一名電路設(shè)計(jì)師，也是一名編輯。我發(fā)現(xiàn)包括我在內(nèi)的大多數(shù)工程師對(duì)半導(dǎo)體材料、工藝和制造技術(shù)的深層細(xì)節(jié)并不感興趣。當(dāng)然，有些人是為了每年的國際固態(tài)電路會(huì)議 (IEEE ISSCC) 而不懈努力，他們關(guān)心工藝細(xì)節(jié)和創(chuàng)新，他們的工作非常之重要，令人印象深刻，令人欽佩。 然而，大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師真正想知道的并不是器件如何制造，而是器件能用來做什么：優(yōu)勢、劣勢、權(quán)衡以及其他關(guān)鍵屬性�！拔业墓に嚤饶愕母�、更好、更省電、更快，也許成本還更低”本身并不令人興奮；相反，對(duì)于大多數(shù)潛在用戶來說，真正重要的是所生產(chǎn)的部件及其數(shù)據(jù)表中列出的數(shù)字和圖表。 盡管有這種觀點(diǎn)，但現(xiàn)實(shí)是工藝技術(shù)非常重要，是半導(dǎo)體性能和功能取得進(jìn)步的基礎(chǔ)。在當(dāng)前的功率器件領(lǐng)域尤其如此，新型工藝或增強(qiáng)型工藝的商業(yè)化正在重新定義開關(guān)電路及其系統(tǒng)的功能。應(yīng)用范圍從小型智能手機(jī)充電器到電動(dòng)汽車及其充電站。我們可以用顛覆性來描述這些進(jìn)步，但這個(gè)詞已被用濫，失去了其真正的意義。 新功能的核心是寬帶隙設(shè)備 這一變革的核心是采用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 材料和工藝制造的寬帶隙 (WBG) 功率半導(dǎo)體的出現(xiàn)。與傳統(tǒng)的純硅 (Si) 器件相比，寬帶隙 (WBG) 器件優(yōu)勢眾多，在許多情況下，正在取代傳統(tǒng)的純硅器件，或?qū)崿F(xiàn)以前無法實(shí)現(xiàn)的新設(shè)計(jì)（圖 1）。 
圖 1：基于 GaN 和 SiC 的功率器件的相對(duì)屬性表明，與純硅器件相比，這些更新的 WBG 器件的性能指標(biāo)極具吸引力。（圖片來源：Scholarly Community Encyclopedia） 具體來說，基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 在開關(guān)頻率、額定功率、散熱能力和效率方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基器件，而所有這些都是提高先進(jìn)功率轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)鍵因素。這些優(yōu)勢得益于 GaN 固有的 WBG 電壓、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率和高電子飽和速度等優(yōu)點(diǎn)�；� GaN 的功率開關(guān)器件可提供小“導(dǎo)通”電阻、大電流能力和高功率密度。 商用 GaN 基功率開關(guān)器件的工作電壓從 100 V 到幾乎 1000 V 不等，開關(guān)頻率高，工作溫度高且開關(guān)損耗小。GaN 的各項(xiàng)性能優(yōu)于 SiC，但其結(jié)晶和加工會(huì)更加困難。 HEMT 是一種 GaN 技術(shù)，其元件僅在基底表面形成，在其基底上可以生長 GaN 晶體。目前，主要的商用 GaN FET 器件都是橫向 HEMT。 在 GaN 場效應(yīng)晶體管的橫向結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)硅基底、一個(gè) GaN 緩沖器、一個(gè)氮化鋁鎵 (AlGaN) 勢壘、三個(gè)連接端子（源極、柵極和漏極）、一層鈍化層（保護(hù)電介質(zhì)）和一個(gè)從源極延伸出來的靜電場起電板（圖 2）。AlGaN 勢壘和 GaN 緩沖器的異質(zhì)結(jié)（兩種不同半導(dǎo)體之間的結(jié)點(diǎn)）形成了二維電子氣體 （2DEG） 通道。
圖 2：GaN 功率器件的結(jié)構(gòu)顯示了多層和 2DEG 溝道，電流流經(jīng)該溝道或被切斷。（圖片來源：ResearchGate） 該溝道具有很高的電荷密度和遷移率。電流在 2DEG 溝道中流動(dòng)，這與硅 MOSFET 不同。在硅 MOSFET 中，電流流動(dòng)的溝道是源極和漏極之間的耗盡區(qū)。 請注意，標(biāo)準(zhǔn) GaN HEMT 通常處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，不同于通常處于“關(guān)斷”狀態(tài)的傳統(tǒng) MOSFET。要將 GaN HEMT 轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)（在大多數(shù)電路設(shè)計(jì)中，關(guān)斷狀態(tài)更方便使用，也更安全），就必須耗盡 2DEG 層，這反過來又會(huì)導(dǎo)致電流停止流動(dòng)。 因此，GaN 開關(guān)器件分為兩種不同類型：增強(qiáng)型 (e-GaN) 和耗盡型 (d-GaN)。耗盡模式晶體管通常處于導(dǎo)通狀態(tài)，需要在柵極施加負(fù)電壓才能關(guān)斷。增強(qiáng)型晶體管通常處于關(guān)斷狀態(tài)，通過在柵極施加正電壓來導(dǎo)通。 SiC 對(duì)比 GaN GaN 和 SiC 的最大區(qū)別在于它們的電子遷移率不同，即電子在半導(dǎo)體材料中的移動(dòng)速度。標(biāo)準(zhǔn)硅的電子遷移率為 1500 厘米2每伏秒 (cm2/volt-s)。然而，SiC 的電子遷移率為 650 cm2/volt-s， GaN 的電子遷移率為 2000 cm2/volt-s，這意味著 SiC 的電子移動(dòng)速度要慢于 GaN 和硅的電子移動(dòng)速度。 GaN 的電子移動(dòng)速度比硅的電子移動(dòng)速度快 30%。由于電子遷移率如此之高， GaN 在高頻應(yīng)用中的適用性幾乎提高了三倍。 此外， GaN 的熱導(dǎo)率為 1.3 瓦特每厘米 - K (watts/cm-K)，低于硅的 1.5 watts/cm-K。然而， SiC 的熱導(dǎo)率為 5 watts/cm-K，使其在傳遞熱負(fù)荷方面的效率提高了近三倍。這一特性使 SiC 在高功率、高溫應(yīng)用中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。 GaN 和 SiCk 可滿足市場上不同的功率需求。SiC 器件可提供高達(dá) 1,200 V 的電壓水平和高載流能力。因此，這類器件適用于汽車和機(jī)車牽引逆變器、大功率太陽能發(fā)電場和大型三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。 相比之下， GaN HEMT 器件的額定電壓通常為 650 V，可實(shí)現(xiàn) 10 kW 及以上的高密度轉(zhuǎn)換器。這類器件的應(yīng)用包括消費(fèi)類產(chǎn)品、服務(wù)器、電信和工業(yè)電源、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，以及電動(dòng)汽車車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。 盡管存在這些差異，SiC 和 GaN 技術(shù)在 10 kW 以下的某些應(yīng)用中仍有重疊。 現(xiàn)有的 GaN 器件性能突出 雖然 GaN 器件的開發(fā)需要多年的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和生產(chǎn)努力，但其商業(yè)化生產(chǎn)已有十多年的歷史。例如 ROHM Semiconductor 的 GNP1070TC-Z 和 GNP1150TCA-Z 650 V GaN HEMT 屬于這類器件，它們都針對(duì)廣泛的電源系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化（圖 3）。GNP1070TC-Z 是 20 A、56 W 增強(qiáng)模式器件，漏極源極電阻 (RDS(on)) 為 70 mΩ，柵極電荷 (Qg) 僅為 5.5 納庫侖 (nC)（二者均為典型值）。對(duì)于 11 A、62.5 W 的 GNP1150TCA-Z 器件，這兩個(gè)參數(shù)分別為 150 mΩ 和 2.7 nC。
圖 3：所示為 20 A GNP1070TC-Z GaN HEMT 的內(nèi)部電路，它與 11 A GNP1150TCA-Z 相似；兩者都適用于與一系列 650 V 電源相關(guān)的應(yīng)用。（圖片來源：rohm semiconductor） 這兩個(gè)器件是與開發(fā) GaN 器件的 Delta Electronics 子公司 Ancora Semiconductors 聯(lián)合開發(fā)的。這兩個(gè)器件均具有市場領(lǐng)先的性能，有助于在更廣泛的電源中實(shí)現(xiàn)更高的效率和更小的尺寸。 這兩個(gè)器件采用 8 引線 DFN8080K 封裝，大小為 8 × 8 × 0.7 mm（圖 4）。
圖 4：盡管 GNP1070TC-Z 和 GNP1150TCA-Z GaN 器件具有較高的額定電流和電壓，但都采用每邊只有 8 mm 的封裝。（圖片源：Rohm Semiconductor） 結(jié)束語 與傳統(tǒng)的純硅器件相比，使用 GaN HEMT 的 WBG 功率開關(guān)器件擁有巨大的性能優(yōu)勢。與 SiC 器件相比，這類器件在工作頻率和熱耗散方面也有明顯優(yōu)勢；熱耗散是實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)特別重要的考慮因素。通過使用 ROHM Semiconductor 的 20 A/650 V GNP1070TC-Z 和 11 A/650 V GNP1150TCA-Z 等 GaN 器件，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)原本不可行或具有嚴(yán)重工作限制的電源轉(zhuǎn)換器和電源。 |
