氮化镓功率器件物理基础
发布时间:2025/4/24 10:56:00 来源:元芯半导体
物理结构
与传统的基于蓝宝石晶片的氮化镓器件相比,硅基氮化镓器件显著降低了器件制造成本,这为实现氮化镓功率半导体器件的大规模应用的铺平了道路。图 1显示了 GaN 晶体管的典型物理结构,在 AlGaN 层和 GaN 层的边界形成了具有高迁移率的二维电子气 (2DEG)高导电通道。相比于依靠少数载流子(松散地被束缚在硅晶格中)传导的硅晶体管,GaN 晶体管中的 2DEG 沟道表现出更高电子密度和电子迁移率,适用于大电流和大功率的应用。根据栅极结构和材料以及栅极掺杂带来的开通阈值电压的不同,现有技术的 GaN 晶体管主要有两大类:耗尽型 GaN 晶体管和增强型 GaN 晶体管。

图 1 GaN晶体管的物理结构
耗尽型 GaN 晶体管的物理结构如图 2 所示。在正常开关工作状态下,如图 2(a) 所示,由于 GaN 晶体的固有特性和耗尽型栅极材料,栅极偏置电压为零时,耗尽型GaN晶体管处于自然导通状态。而关闭耗尽型 GaN 器件需要在栅极 (G) 和源极 (S) 之间施加负偏置电压VGS。当 VGS 低于 GaN 晶体管的开启阈值 VTH, D (VGS<VTH, D) 时,导电沟道被切断,晶体管关闭,如图 2.2(b) 所示。在此期间,漏源电压(VDS)可以维持非常高的击穿电压。然而,对于耗尽型 GaN 晶体管,需要负栅极驱动电压VGS来关闭晶体管,这使得 GaN 栅极驱动电路的设计变得更加复杂。

图 2 耗尽型 GaN 晶体管 (a) 常开状态,(b) 关断状态

图 3 增强型 GaN 晶体管,(a) 常关状态,(b) 导通状态
为了缓解驱动的问题,科学家发明了增强型 GaN 晶体管,它不需要负栅极电压来关闭晶体管而只需要零电压,因此简化了栅极驱动电路的设计。图 3 显示了增强型 GaN 晶体管的物理结构。如图 3(a) 所示,在栅极偏置电压为零时,GaN晶体管导电沟道保持关断状态,而不是耗尽型 GaN 晶体管的常开状态。为了能开通 GaN 晶体管,需要施加正的栅极偏置电压 VGS,将电子吸引到 AlGaN 和 GaN 的边界以形成高迁移率导电沟道,从而实现了一个正的开启阈值电压(典型值约为1.7V)。当 VGS 高于开启阈值电压 (VGS>VTH, E) 时,增强型 GaN 晶体管开通,如图 3(b) 所示。此外,为了防止 GaN 晶体管发生破坏性栅极击穿,施加的最大栅极电压需要进行钳位,元芯半导体提供了独有的专利钳位和保护技术,极大的提高了器件和系统的可靠性和稳定性。
GaN器件的工作特性
为了阐明增强型 GaN 晶体管的工作原理,图 4 展示了传输特性曲线。在 VGS 达到接近 1.7V 后,晶体管开始导通。由于 GaN 材料具有高电子高迁移率,GaN 晶体管表现出高跨导增益和大电流传导能力。例如,在 3V 的 VGS 下,典型的 GaN 晶体管可以传导 5A 的饱和电流 IDS。此外,GaN功率晶体管的饱和电流随温度增加呈现负温度系数,这可以保护功率器件在高温大功率工作情况下免受永久性损坏。

图 4 增强型GaN晶体管的传输特性
为了比较 GaN 晶体管与硅晶体管的栅极电容,选取了几款典型器件并对它们的栅极电荷 QG 参数进行比较,如表 1中所示。与传统的硅器件相比,GaN 器件具有宽禁带电压和高电子迁移率。在100V 耐压和相同的导通电阻 RDS(ON) 情况下,GaN 晶体管的栅极电荷比硅器件小了 12 倍,这使得GaN器件成为高频高效率开关电源系统中理想的开关功率器件。

表 1 硅和 GaN 器件之间栅极电荷 QG 的比较
图 5 展示了不同栅极驱动电压 VGS 下的导通电阻RDS(ON)。当 VGS 接近最大栅极电压时,RDS(ON)最低,器件沟道具有高导电性。因此,为了降低GaN器件导通损耗,需要在不损坏栅极结构的情况下最大化提高GaN 晶体管的栅极驱动电压。在GaN晶体管并联的大电流系统应用中,由于GaN晶体管RDS(ON)具备正温度系数,这使得其具有与硅晶体管相似的特性,易于并联以扩展功率范围。

图5. 不同的VGS栅极电压下的导通电阻

图 6. 增强型 GaN 晶体管的反向传导特性
图 6 所示,GaN在栅极为零电压的情况下,沟道中的电子完全耗尽,这迫使 GaN 晶体管处于关闭状态。然而,随着漏极电压进一步降低,栅极和漏极之间会产生正偏压,吸引栅极下方的电子形成导电沟道。由于 GaN 晶体管的漏极和源极结构不对称,反向导通呈现高阻值。例如,如果要反向传导 4A 的电流,漏极电压变为 -3V(VSD=3V)。另外,由于没有少数载流子参与导通, GaN 晶体管没有反向恢复损耗,这显著降低了开关损耗,使其非常适合高频开关应用。
|
|
 |
您可能对以下产品感兴趣 |
 |
|
 |
产品型号 |
功能介绍 |
兼容型号 |
封装形式 |
工作电压 |
备注 |
YX22105 |
宽输入电压范围:3.5V至100V;
宽输出电压范围:0V至100V;
CC/CV 调节功能 |
|
QFN-32 |
3.5V-100V |
3.5V-100V输入,0V-100V 输出,同步升降压CC(恒流)/CV(恒压)控制器 |
YX21105 |
宽输入电压范围:3.5V-100V;
宽输出电压范围:3.5V-100V |
|
QFN32 |
3.5V-100V |
最高100V可调输出电源,同步升降压CC(恒流)/CV(恒压)控制器 |
YX20105 |
YX20105是一款同步降压控制器,适用于驱动高效功率转换器中的硅(Si)MOSFET 或氮化镓(GaN)功率晶体管。它支持高达100V的宽输入范围,最高能效为98%。YX20105集成了具有UVLO保护功能的高端和低端栅极驱动器。它提供可编程输入/输出电流限制、负载电流监控和电源良好报告。CC/CV 功能使其适用于电池充电应用。宽输入电压范围:4V至100V,宽输出电压范围:2V至100V 。
|
|
QFN-32 |
4V-100V |
4V-100V宽电压输入,20A大电流同步降压CC/CV控制器 |
YX2845 |
YX2845是一款双向双向降压-升压控制器,适用于驱动高效功率转换器中的硅(Si)MOSFET 或氮化镓(GaN)功率晶体管。它支持高达 35V的宽输入和输出范围,可在降压、降压-升压和升压模式之间无缝转换。宽输入电压范围:4V至45V,宽输出电压范 围:2V至45V. |
YX2835/YX2865 |
QFN-32 |
4V-45V |
支持充放电管理的45V双向升降压CC/CV控制器 |
YX2835 |
YX2835是一款双向双向降压-升压控制器,适用于驱动高效功率转换器中的硅(Si)MOSFET 或氮化镓(GaN)功率晶体管。它支持高达 35V的宽输入和输出范围,可在降压、降压-升压和升压模式之间无缝转换。宽输入电压范围:4V至35V,宽输出电压范 围:2V至35V。 |
YX2845/YX2865 |
QFN-32 |
4V-35V |
支持双向充放电功能35V同步升降压 CC/CV 控制器 |
YX2045 |
30A大电流同步降压CC/CV控制器;宽输入电压范围:4V至45V;宽输出电压范围:2V至45V |
YX2035/YX2065 |
QFN-32 |
4V-45V |
4V-45V宽电压输入、同步降压 CC/CV 控制器 |
YX2035 |
30A大电流同步降压CC/CV控制器;宽输入电压范围:4V至35V;宽输出电压 范围:2V至35V |
YX2245/YX2265 |
QFN-32 |
4V-35V |
4V-35V输入、,同步降压 CC/CV 控制器 |
YX2245 |
宽电压同步升降压控制器,输入电压范围:4V至45V;输出电压范围:2V至45V;CC/CV调节功能使其适用于电池充电系统。 |
YX2235/YX2265 |
QFN-32 |
4V-45V |
4V-45V输入、2V-45V输出,同步升降压 CC/CV 控制器 |
YX2865 |
输入电压范围:4V至65V;
输出电压范围:2V至65V;
双向降压-升压工作模式; 电源转换效率高达98%;
超宽开关频率范围:50kHZ至3MHz;
20A的持续输出电流; |
YX2835/YX2845 |
4x4mm 或 5x5mm QFN-32L |
4V-65V |
4V-65V输入、2V-65V输出,双向升降压CC/CV控制器 |
YX2235 |
YX2235是一颗大电流同步升降压控制器,输入电压范围:4V至35V;输出电压范围:2V至35V;CC/CV调节功能使其适用于电池充电系统。 |
YX2245/YX2265 |
QFN-32 |
4V-35V |
4V-35V输入、2V-35V输出,大电流同步升降压 CC/CV 控制器 |
YX2165 |
YX2065是一款同步升压控制器,宽输入电压范围:4V至65V;最高输出电压65V |
YX2145/YX2135 |
4x4mm或5x5mm QFN-32L封装 |
4V-65V |
4V-65V输入、最高65V输出、大功率同步升压CC/CV控制器 |
YX2065 |
30A大电流同步降压CC/CV控制器;宽输入电压范围:4V 至 65V;宽输出电压 范围:2V 至 65V |
YX2045/YX2035 |
4x4mm或5x5mm QFN-32L 封装 |
4V-65V |
4V-65V宽电压输入,30A大电流同步降压CC/CV控制器 |
YX2265 |
YX2265是一颗宽电压同步升降压控制器,输入电压范围:4V至65V;输出电压范围:2V至65V;CC/CV调节功能使其适用于电池充电系统。
|
YX2235/YX2245 |
QFN-32 |
4V-65V |
4V-65V输入、2V-65V 输出,同步升降压 CC/CV 控制器 |
|
|