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來源：DigiKey 作者：Bill Schweber 我得承認一件事。我在電子行業工作多年，既是一名電路設計師，也是一名編輯。我發現包括我在內的大多數工程師對半導體材料、工藝和制造技術的深層細節并不感興趣。當然，有些人是為了每年的國際固態電路會議 (IEEE ISSCC) 而不懈努力，他們關心工藝細節和創新，他們的工作非常之重要，令人印象深刻，令人欽佩。 然而，大多數設計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：優勢、劣勢、權衡以及其他關鍵屬性。“我的工藝比你的更小、更好、更省電、更快，也許成本還更低”本身并不令人興奮；相反，對于大多數潛在用戶來說，真正重要的是所生產的部件及其數據表中列出的數字和圖表。 盡管有這種觀點，但現實是工藝技術非常重要，是半導體性能和功能取得進步的基礎。在當前的功率器件領域尤其如此，新型工藝或增強型工藝的商業化正在重新定義開關電路及其系統的功能。應用范圍從小型智能手機充電器到電動汽車及其充電站。我們可以用顛覆性來描述這些進步，但這個詞已被用濫，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) 功率半導體的出現。與傳統的純硅 (Si) 器件相比，寬帶隙 (WBG) 器件優勢眾多，在許多情況下，正在取代傳統的純硅器件，或實現以前無法實現的新設計（圖 1）。 
圖 1：基于 GaN 和 SiC 的功率器件的相對屬性表明，與純硅器件相比，這些更新的 WBG 器件的性能指標極具吸引力。（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) 在開關頻率、額定功率、散熱能力和效率方面均優于傳統的硅基器件，而所有這些都是提高先進功率轉換器性能的關鍵因素。這些優勢得益于 GaN 固有的 WBG 電壓、高臨界擊穿電場、高熱導率和高電子飽和速度等優點。基于 GaN 的功率開關器件可提供小“導通”電阻、大電流能力和高功率密度。 商用 GaN 基功率開關器件的工作電壓從 100 V 到幾乎 1000 V 不等，開關頻率高，工作溫度高且開關損耗小。GaN 的各項性能優于 SiC，但其結晶和加工會更加困難。 HEMT 是一種 GaN 技術，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 場效應晶體管的橫向結構中，有一個硅基底、一個 GaN 緩沖器、一個氮化鋁鎵 (AlGaN) 勢壘、三個連接端子（源極、柵極和漏極）、一層鈍化層（保護電介質）和一個從源極延伸出來的靜電場起電板（圖 2）。AlGaN 勢壘和 GaN 緩沖器的異質結（兩種不同半導體之間的結點）形成了二維電子氣體 （2DEG） 通道。
圖 2：GaN 功率器件的結構顯示了多層和 2DEG 溝道，電流流經該溝道或被切斷。（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，這與硅 MOSFET 不同。在硅 MOSFET 中，電流流動的溝道是源極和漏極之間的耗盡區。 請注意，標準 GaN HEMT 通常處于“導通”狀態，不同于通常處于“關斷”狀態的傳統 MOSFET。要將 GaN HEMT 轉為關斷狀態（在大多數電路設計中，關斷狀態更方便使用，也更安全），就必須耗盡 2DEG 層，這反過來又會導致電流停止流動。 因此，GaN 開關器件分為兩種不同類型：增強型 (e-GaN) 和耗盡型 (d-GaN)。耗盡模式晶體管通常處于導通狀態，需要在柵極施加負電壓才能關斷。增強型晶體管通常處于關斷狀態，通過在柵極施加正電壓來導通。 SiC 對比 GaN GaN 和 SiC 的最大區別在于它們的電子遷移率不同，即電子在半導體材料中的移動速度。標準硅的電子遷移率為 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 的電子移動速度要慢于 GaN 和硅的電子移動速度。 GaN 的電子移動速度比硅的電子移動速度快 30%。由于電子遷移率如此之高， GaN 在高頻應用中的適用性幾乎提高了三倍。 此外， GaN 的熱導率為 1.3 瓦特每厘米 - K (watts/cm-K)，低于硅的 1.5 watts/cm-K。然而， SiC 的熱導率為 5 watts/cm-K，使其在傳遞熱負荷方面的效率提高了近三倍。這一特性使 SiC 在高功率、高溫應用中具有強大的優勢。 GaN 和 SiCk 可滿足市場上不同的功率需求。SiC 器件可提供高達 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車牽引逆變器、大功率太陽能發電場和大型三相電網轉換器等應用。 相比之下， GaN HEMT 器件的額定電壓通常為 650 V，可實現 10 kW 及以上的高密度轉換器。這類器件的應用包括消費類產品、服務器、電信和工業電源、伺服電機驅動器、電網轉換器，以及電動汽車車載充電器和 DC-DC 轉換器。 盡管存在這些差異，SiC 和 GaN 技術在 10 kW 以下的某些應用中仍有重疊。 現有的 GaN 器件性能突出 雖然 GaN 器件的開發需要多年的實驗室研發和生產努力，但其商業化生產已有十多年的歷史。例如 ROHM Semiconductor 的 GNP1070TC-Z 和 GNP1150TCA-Z 650 V GaN HEMT 屬于這類器件，它們都針對廣泛的電源系統應用進行了優化（圖 3）。GNP1070TC-Z 是 20 A、56 W 增強模式器件，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）。對于 11 A、62.5 W 的 GNP1150TCA-Z 器件，這兩個參數分別為 150 mΩ 和 2.7 nC。
圖 3：所示為 20 A GNP1070TC-Z GaN HEMT 的內部電路，它與 11 A GNP1150TCA-Z 相似；兩者都適用于與一系列 650 V 電源相關的應用。（圖片來源：rohm semiconductor） 這兩個器件是與開發 GaN 器件的 Delta Electronics 子公司 Ancora Semiconductors 聯合開發的。這兩個器件均具有市場領先的性能，有助于在更廣泛的電源中實現更高的效率和更小的尺寸。 這兩個器件采用 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） 結束語 與傳統的純硅器件相比，使用 GaN HEMT 的 WBG 功率開關器件擁有巨大的性能優勢。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勢；熱耗散是實際應用中一個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，設計人員可以實現原本不可行或具有嚴重工作限制的電源轉換器和電源。 |
