在過去幾年中，氮化鎵 (GaN) 在用于各種高功率應(yīng)用的半導(dǎo)體技術(shù)中顯示出巨大的潛力。與硅基半導(dǎo)體器件相比，氮化鎵是一種物理上堅(jiān)硬且穩(wěn)定的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，具有更快的開關(guān)速度、更高的擊穿強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性。
氮化鎵晶體可以在多種襯底上生長，如藍(lán)寶石、碳化硅 (SiC)、硅 (Si) 等。為了在硅上實(shí)現(xiàn)這種生長，仍然可以使用現(xiàn)有的制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而無需昂貴的生產(chǎn)場地并以低成本利用現(xiàn)成的大直徑硅晶片。
圖 1：升壓轉(zhuǎn)換器原理圖
上圖顯示了具有升壓轉(zhuǎn)換器和快速二極管的 600V 級 GaN on Si 器件的應(yīng)用。開關(guān)器件 Q1 和升壓二極管 D1 顯示在電路中，伴隨輸入和輸出電容器 C1 和 C2 以增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性。當(dāng) Q1 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，輸入電壓施加在 L1 上。當(dāng) Q1 處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，二極管 D1 將存儲的能量釋放到輸出端。有兩種工作模式——連續(xù)導(dǎo)通模式和非連續(xù)導(dǎo)通模式。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，電感電流保持在零以上，在非連續(xù)導(dǎo)通模式下，電感完全釋放其儲存的能量。
具有高/低側(cè)晶體管的橋式電路
圖 2：半橋開關(guān)電路原理圖
上圖中，Q1 和 Q2 都是 GaN Cascode 器件。當(dāng)柵極處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，每個(gè)器件都能夠阻斷反向傳導(dǎo)電壓。當(dāng)柵極處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的器件提供正向和反向?qū)щ娦?，電壓降最小。如果在開關(guān)節(jié)點(diǎn)U與直流或低頻中間電位W之間增加電感L，則半橋可布置為升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器或直流-交流逆變器。為了提高性能，使用升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了一項(xiàng)測試，該轉(zhuǎn)換器使用 600 V/52-m GaN 級聯(lián)開關(guān)和 650 V/43 m 最先進(jìn)的 Si SJ MOSFET，針對低 Q 進(jìn)行了優(yōu)化。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，它觀察到所有電路元件都是相同的，除了開關(guān)設(shè)備。
GaN-on-Si 器件的未來
Si 上的 GaN 能夠在簡單的空間硬控制模式下以高頻率和高功率水平運(yùn)行。這在運(yùn)行期間提供了低損耗，這對于未來幾年的功率轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，并且還將影響伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、緊湊型 EV 充電器等應(yīng)用。目前，GaN-on-Si 用于衛(wèi)星、用于自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)等。 GaN 晶體管和 IC 可在商業(yè)上獲得，并且比類似的最先進(jìn)的硅器件快 5 到 50 倍。
除了性能之外，GaN 晶體管的性能與當(dāng)今可用的其他傳統(tǒng)功率 MOSFET 的性能非常相似。這使得電力系統(tǒng)工程師和其他技術(shù)人員可以更輕松地設(shè)計(jì)電路，而無需額外培訓(xùn)。但需要特別注意電路中的任何寄生感應(yīng)。
由于 GaN 器件更小，它們需要與計(jì)算機(jī)和電信設(shè)備中使用的相同的更嚴(yán)格的裝配公差。該技術(shù)已被證明可以順利集成到為硅 MOSFET 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施中，一旦設(shè)計(jì)和制造專業(yè)人員更加熟悉更小、更高效的 GaN 器件。
GaN晶體管的制造過程與硅功率MOSFET的制造非常相似。GaN 器件比硅器件小得多。因此，一次制造了更多的設(shè)備。此外，GaN 晶體管是低壓晶體管 (<500V)，不需要像硅 MOSFET 那樣昂貴的封裝。未來幾年，隨著對 GaN 技術(shù)的研究將完成，設(shè)計(jì)工程師可以預(yù)期價(jià)格會(huì)進(jìn)一步下降，從而使這些系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的硅基器件具有越來越大的市場優(yōu)勢。
截至今天，幾家 GaN 晶體管制造商在內(nèi)部壓力測試和性能體驗(yàn)中報(bào)告了出色的結(jié)果。除此之外，還有大量的 GaN 晶體管在實(shí)際地面應(yīng)用中經(jīng)歷了數(shù)十億小時(shí)的累積，證明了與硅 MOSFET 相比具有更高的現(xiàn)場可靠性。