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WAYON維安提供從原理到實例：GaN為何值得期待?方案設計代理商KOYUELEC光與電子

功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，主要指能夠耐受高電壓或承受大電流的半導體分立器件，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉換等。在功率半導體的發(fā)展路徑中，功率半導體從結構、制程、技術、工藝、集成化、材料等各方面進行了全面提升，其演進的主要方向為更高的功率密度，更小的體積，更低的成本及損耗。特別是材料迭代方面，從硅Si材料逐漸向氮化鎵(GaN)等寬禁帶材料升級，使得功率器件體積和性能均有顯著提升。

那么什么是第三代半導體GaN呢?它是由氮和鎵組成的一種半導體材料，由于其禁帶寬度大于2.2eV,因此又被稱為寬禁帶半導體材料。

表一 GaN與Si的關鍵特性對比

表一對比了GaN和Si的幾種物理參數(shù)，不可否認，GaN展現(xiàn)出了更好的性能優(yōu)勢，主要分為以下四點：

1、禁帶寬度大：寬禁帶使材料能夠承受更高溫度和更大的電場強度。器件在工作溫度上升時，本征激發(fā)的載流子濃度也不會很高，因此能夠應用到更高溫度的特殊環(huán)境下。

2、高擊穿電場：GaN本身的擊穿場強為3.3E+06,約是Si的11倍，同樣耐壓條件下，GaN耗盡區(qū)展寬長度可以縮減至Si的0.1倍，大大降低了漂移區(qū)電阻率，以獲得更低的Ron和更高的功率性能。

3、高電子飽和漂移速率：在半導體器件工作過程中，多數(shù)是利用電子作為載流子實現(xiàn)電流的傳輸。高電子飽和漂移速率可以保證半導體器件工作在高電場材料仍然能保持高的遷移率，進而有大的電流密度，這是器件獲得大的功率輸出密度的關鍵所在。這也是GaN材料最明顯優(yōu)勢所在。

可以看到，表格中GaN的電子遷移率并不高，為什么稱之為高電子遷移率晶體管呢?原因在于GaN&AlGaN因為材料特性在界面感應形成的二維電子氣(2DEG), 2DEG在2-4nm薄薄的一層中存在且被約束在很小的范圍，這種限域性使得電子遷移率增加到1500~2000cm2/(V·s)目前技術已經(jīng)使電子遷移率達到2200 cm2/(V·s)。

4、良好的耐溫特性：可以看到，GaN和Si的熱導率基本差異不大，但是GaN可以比Si能擁有更高的結溫。因此，同時良好的熱導率加上更高的熱耐受力共同提升了器件的使用壽命和可靠性。

GaN器件優(yōu)越的性能也其器件結構有極大的關系。目前，產業(yè)化的GaN器件在走的兩種路線是P-GaN方式的增強型器件和共源共柵兩種結構，兩種結構市場上聲音不同，大家仁者見仁。

圖1主流GaN的兩種結構

由于GaN器件對寄生參數(shù)極其敏感，因此相較于傳統(tǒng)的Si基半導體器件的驅動電路，GaN的驅動要求更為嚴苛，因此對其驅動電路的研究很有意義。在實際的高壓功率GaN器件應用過程中，我們用GaN器件和當前主流的SJ MOSFET在開關特性和動態(tài)特性上做了一個對比，更詳細的了解其差異所在。

表二 GaN器件DC參數(shù)

從上圖GaN晶體管的DC參數(shù)可以看到，其在直流參數(shù)上，沒有反向二極管(0 Reverse Recovery)，主要原因在于GaN晶體管沒有SJ MOSFET的寄生PN結。此外，兩者在直流參數(shù)以及Vth等也有著不小的區(qū)別，同規(guī)格情況下，GaN晶體管比SJ MOS有著更小的飽和電流以及更高的BV值，這也是受限于其芯片面積和無雪崩能力的特殊特性;同時更低的驅動電壓和柵極電荷Qg，造就了其高頻低損的優(yōu)良開關特性。

圖2 GaN&Si電容特性對比

從器件的電容上看到， SJ MOSFET的電容在50V內非線性特征明顯，同時整體的電容值要比GaN器件大很多(結電容是GaN的3倍)。這是因為，二維電耦合型的SJ器件雖然比平面MOS擁有著更小的器件面積，但由于其依靠靠PN結的橫向耗盡來實現(xiàn)抗耐壓，因此PN結的接觸面積要大很多，在器件D-S間電壓較低時，PN結內建電場形成的接觸面造成了其初始Coss&Crss等參數(shù)要比D-S高電壓狀態(tài)大幾個量級;同時器件從不完全耗盡到全耗盡狀態(tài)，器件空間電荷區(qū)展寬，導致了CGD和CDS在電容曲線上出現(xiàn)突變點。這種電場在很窄電壓范圍的突變，也恰恰影響著工程師們關注的EMI問題，如何去優(yōu)化使其曲線變緩成為多家設計公司的特色工藝。

圖3 硅器件Cgd突變

然而GaN的出現(xiàn)，卻輕松的解決了該問題，GaN的電容曲線變化相對在一個較小的范圍，且不存在突變，因此在電源應用的EMI調試過程，效果優(yōu)于SJ MOSFET。接近線性的Coss,使得應用開關過程dv/dt的波形更接近一個沒有弧度的斜線讓其變得優(yōu)雅。

圖4 GaN反激Vds開關上升沿

較低的結電容也使得器件的能量等效電容(Coer)和Eoss遠小于同規(guī)格SJ MOS器件，使得電源在硬開關過程中的容性損耗大大減小，能夠顯著減少器件發(fā)熱;與此同時，在電源軟開關過程中達到ZVS所抽取的結電容電荷更少，使得系統(tǒng)擁有更高的開關頻率和更小的死區(qū)時間，進一步的減小系統(tǒng)體積。