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作者：宜普電源轉(zhuǎn)換公司 Stephen L. Colino Robert A. Beach 我們對功率半導(dǎo)體最基本的要求是性能、可靠性、管控性及成本效益。它的高頻率性能，可切合穩(wěn)壓器系統(tǒng)于體積及瞬態(tài)響應(yīng)方面的需要而具更高價值，并為 D類功率放大器提供高保真度。一個新器件結(jié)構(gòu)如果不高效、不可靠的話，根本不可能商品化。市場上有很多新結(jié)構(gòu)及原料可選擇，但是接受度有限。不過，現(xiàn)在有氮化鎵(Gallium Nitride/GaN)增強型功率管控器件問世，具有高導(dǎo)電性、極快開關(guān)、硅器件之成本結(jié)構(gòu)及基本操作模式等優(yōu)異性能，其代表就是宜普公司的新產(chǎn)品。 器件構(gòu)造 一個器件的成本效益，從生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施開始計算。宜普公司的工藝技術(shù)，基于不昂貴的硅晶園片。在硅基板上有一層薄薄的氮化鋁 (Aluminum Nitride/Al)，隔離了器件結(jié)構(gòu)和基底。這個隔離層能隔離300V電壓。在這隔離層上是一層厚厚的氮化鎵，晶體管就建立于這個基礎(chǔ)上。其中，電子由氮化鎵鋁層(AlGaN)產(chǎn)生，其會產(chǎn)生引力場，吸引大量的自由浮動電子，而進一步的工藝會在柵極下面形成一個耗盡區(qū)域。要增強晶體管，正電壓加在柵極處，正如開啟一個N通道、增強型之功率MOSFET。 圖1顯示了這個器件結(jié)構(gòu)的剖面圖。該器件的表現(xiàn)跟硅功率MOSFET相似，當然也有不同之處，我們將再作闡釋。 
圖1 EPC之氮化鎵功率晶體管結(jié)構(gòu)剖面圖 操作 宜普氮化鎵晶體管的表現(xiàn)跟硅功率MOSFET非常相似。在柵極上，相對于源極，一個正偏壓會產(chǎn)生吸引電子的場效應(yīng)，構(gòu)成基極與源極之間的通道。由于電子被集中在一起，不會零散地困于某一格位置，這個通道的電阻因而很低。從柵極移去偏壓，下面的電子會分散至氮化鎵層，重新產(chǎn)生耗盡區(qū)域，從而阻隔電壓。 要制成一個高壓器件，需增加漏極與柵極之間的距離。由于氮化鎵的電子被集中在一起時的電阻非常低，所以縱使增加阻隔電壓之能力，若與硅器件相比，其對電阻的影響會更少。圖2顯示了理論上的氮化鎵及硅器件于不同電壓下的性能極限，及宜普第一代器件的效能。 各位電子工程界朋友均知道硅制MOSFET已開發(fā)了三十年，其表現(xiàn)已接近理論上的極限，若希望其表現(xiàn)再進一小步，將需要龐大資源去開發(fā)。相對來說，氮化鎵器件處于產(chǎn)品發(fā)展周期的起步階段，在數(shù)年內(nèi)將可預(yù)見其重大進展。
圖2 氮化鎵及硅器件于不同電壓下的性能 柵極臨界 氮化鎵晶體管的臨界比硅功率MOSFET低，這樣是有可能的，因為臨界不會隨溫度變化及具備很低的柵漏極間電容(CGD)。 圖3顯示了宜普1001(100V，5.6mΩ)的晶體管傳輸特征曲線。當器件在1.6V電壓時開始傳導(dǎo)大量電流，于dv/dt轉(zhuǎn)變時，柵極到源極之間為低電阻。
圖3 傳輸特征曲線圖 電阻 阻抗(RDS(on))及柵源電壓(VGS)曲線圖是跟MOSFET相似的。宜普第一代氮化鎵晶體管專為5V驅(qū)動器操作而設(shè)。 圖 4顯示了宜普1001的一系列曲線圖。當柵極電壓越接近最高水平，漏極對源極的電阻則會持續(xù)下降。由于柵極驅(qū)動器損耗極少，所以氮化鎵晶體管應(yīng)以5V電壓驅(qū)動。氮化鎵晶體管之電阻RDS(on) 溫度系數(shù)為正數(shù)，但幅度比硅MOSFET小很多，例如，在125℃時，宜普1001系數(shù)為25℃時的1.45倍，而硅功率MOSFET則是1.7倍。這個優(yōu)勢會隨著電壓增加而增強。
圖4 不同電流下RDS(on)與VGS的比較 電容 氮化鎵晶體管的橫向結(jié)構(gòu)使其具極低電荷特性，能夠在數(shù)納秒內(nèi)切換數(shù)百伏特，切換頻率可達數(shù)兆赫，這個性能可縮小功率轉(zhuǎn)換器體積，并使Ｄ類功率放大器具更高的保真度。柵漏極間電容(CGD)是最重要的，因為它最能影響切換功率損耗。宜普氮化鎵場效應(yīng)晶體管因為具極低CGD，致使電壓切換非常迅速。相比CGD，柵源極間電容(CGS)較大，使氮化鎵晶體管擁優(yōu)異的dV/dt抗擾性能。相比硅MOSFET，柵源極間電容(CGS)較小，延遲時間很短，因此應(yīng)用于低負載周期時具極佳管控能力。 根據(jù)實例證明，一個1～48V降壓穩(wěn)壓器使用宜普之100V氮化鎵晶體管，可于1MHz切換頻率下表現(xiàn)理想。與硅MOSFET比較，氮化鎵晶體管之CDS也較小，雖然二者之電容曲線相似，但在相同電阻下，最大不同之處是氮化鎵晶體管之電容是極低的。 串聯(lián)柵極電阻及柵極漏電流 串聯(lián)柵極電阻(RG)限制了FET的電容充電或放電速度。硅MOSFET只能用多晶硅或混合材料類的金屬硅化物；氮化鎵晶體管則用金屬柵極，柵極的電阻很低，只是1/20Ω，具dV/dt抗擾能力，并且不會以氧化增生來隔離柵極。相比硅MOSFET，氮化鎵晶體管柵極漏電流較大，預(yù)計在1mA。 優(yōu)異指標 總柵極電荷(QG)是CGS加CGD除以電壓。常用的指標FOM是RDS(on)乘以QG，顯示了器件在開啟狀態(tài)及切換時的表現(xiàn)。圖5展示了氮化鎵晶體管與最優(yōu)異硅MOSFET 100V器件之FOM比較。當電壓增加，其RxQ FOM更具優(yōu)勢。
圖5 氮化鎵晶體管與最優(yōu)異100V硅MOSFET器件之FOM比較 基板二極管 從圖1可見，宜普氮化鎵晶體管結(jié)構(gòu)是一個橫向器件，沒有硅MOSFET常見的寄生二極接面。嚴格來說，其反向偏壓與二極管具相似功能但機理不同。如果柵源電壓是零偏壓，柵極下方就沒有電子。當電流從源極至漏極，漏極電壓會減弱。相比飄移區(qū)域，柵極上正偏壓形成后會把電子注入柵極下面。在柵極臨界時，將有足夠電子形成一個傳導(dǎo)通道，其好處是在傳導(dǎo)中沒有少數(shù)載流子，所以沒有反向恢復(fù)損耗。當QRR是0時，輸出電容COSS需要在每次開關(guān)周期內(nèi)充電或放電。相比硅MOSFET，若器件的RDS(on)相仿，則氮化鎵晶體管具更低的COSS。氮化鎵晶體管在反向時需臨界電壓去開啟，二極管之正向電壓會比硅晶體管為高，所以必需把二極管導(dǎo)電減至最小。 封裝 宜普氮化鎵晶體管與底層絕緣，可以在單晶圓上制造多個不同配置，快速散熱及不需絕緣接口之晶體管。它可以在晶圓片的一邊湊集漏極及源極電流。若果要湊集電流的金屬層具低電阻，這些通道必需短小。要做到這樣，可利用芯片線柵門數(shù)組封裝，把漏極及源極線交替排列。標準的線距是0.4mm及 0.6mm。圖6展示了宜普1010晶體管封裝(200V，25mΩ)。如果任何部份之沿面放電距離不能達到安全要求，可用underfill方法來達到其所需安全距離。
圖6 宜普1010晶體管 應(yīng)用及價值 宜普設(shè)計的增強型氮化鎵晶體管，具有高效、高頻、低負載周期功率轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。其可于頻率高于AM band時，透過高效開關(guān)，大幅提升D類功效音頻放大器技術(shù)。因沒有線性放大器之體積及重量的所有限制，保真度可接近A類及AB類放大器系統(tǒng)水平，并可把高質(zhì)素放大器放進只有細小器件空間的產(chǎn)品里，如平面電視、電腦及揚聲器。 于處理信息及儲存系統(tǒng)方面，整個功率架構(gòu)可重新評估，以發(fā)揮其優(yōu)異的開關(guān)性能。當AC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓增加，效率會更高；當總線電壓增加，傳輸效率會提高；當頻率增加，體積會更小。如果應(yīng)用為同步整流器，可同時提高AC /DC轉(zhuǎn)換效率。如果只是一次轉(zhuǎn)換，可撤用中間階段轉(zhuǎn)換器，省卻中間階段轉(zhuǎn)換器之體積及成本。 |
