如何使用氮化鎵器件：引進氮化鎵晶體管技術

本文是專為功率系統設計工程師及工程經理而設的連載文章的第一章。我們在未來數個月將介紹應用于電源轉換的氮化鎵技術，并討論其基本設計及輔以應用范例。硅器件已稱王多時，現在我們可利用一個全新技術替代它!

氮化鎵啟航

HEMT(高電子遷移率晶體管)氮化鎵(GaN)晶體管大約最早在二零零四年出現，當時日本的Eudyna公司推出一種耗盡型射頻晶體管。通過在碳化硅基板上使用氮化鎵，Eudyna公司成功生產了為射頻市場而設的晶體管。高電子遷移率晶體管的結構基于在接近AlGaN和GaN異質結構界面處異常高的電子遷移率，被描述為二維電子氣(2DEG)。將這種現象應用于碳化硅上生長的氮化鎵，Eudyna公司成功生產出在數吉赫茲頻率范圍內的基準功率增益。而Nitronex公司在二零零五年推出第一種耗盡型射頻高電子遷移率晶體管，首次利用硅基上生成的氮化鎵晶圓制造，采用的是Nitronex公司的SIGANTIC®技術。

隨著另外幾家公司參與市場發展，氮化鎵射頻晶體管在射頻應用領域繼續闊步前進。但在這個市場以外的認受性卻非常有限，主要的原因是器件的成本和耗盡型器件的操作并不方便。

宜普公司在二零零九年六月推出了首款增強型硅基氮化鎵(eGaN®)場效應晶體管(FET)。這種晶體管專門設計用于替代功率MOSFET器件。這些產品可以使用標準硅的制造技術和設備，以低成本大批量生產。

我們對功率半導體最基本的要求是其性能、可靠性、管控性及成本。任何新器件的結構如果不具備這些特征的話，便不可能商品化。

讓我們對作為下一代功率器件發展平臺的硅、碳化硅及氮化鎵器件進行比較。

為什么使用氮化鎵器件?

從一九五零年代開始，硅是功率半導體的主要材料。與鍺或硒等其它早期半導體材料相比，它具有四大特點：

1. 硅器件推動了全新應用的出現;

2. 硅器件被證實更為可靠;

3. 硅器件在多方面易于使用;

4. 硅器件具更低成本。

新一代功率晶體管如果要替代硅器件，它的材料性能必需展示在以上四方面比硅器件更為優勝。

硅器件的優勢是基于其基本物理特性及在制造基礎設施和工程方面的龐大投資。現在讓我們來了解硅的幾個基本性能，以及它與其它替代材料的比較。表一展示了用于功率管理市場的三種競爭半導體材料的三種主要電學性能。

表一：氮化鎵、碳化硅及硅材料的性能比較

如何使用以上的基本結晶參數對功率晶體管的性能進行比較，其中的一個辦法是比較以上三個器件理論上可實現的最大性能。功率器件的眾多特性對目前的電源轉換系統具有相當的影響，其中五個最重要的特性包括器件的傳導效率、擊穿電壓、開關速度、尺寸及成本。這些器件特性決定可實現的系統頻率及功率密度。

從表一的數據(對氮化鎵二維電子氣的高遷移率做出調整后)我們可以得出作為擊穿電壓及材料函數的理論上最小電阻(電導的倒數)。

表一展示了由于碳化硅與氮化鎵器件均具有比較高的臨界電場強度，使它們的電阻及擊穿電壓具優越關系，允許器件在給定的擊穿電壓下實現更小尺寸，以及我們可以把端子更緊密地排列在一起。此外，與碳化硅器件相比，氮化鎵器件的另一個額外優勢是由于二維電子氣的電子遷移率較高，使氮化鎵器件可以在給定的電阻及擊穿電壓下具有更小的尺寸，為氮化鎵器件加分!

由于氮化鎵器件可以比硅器件小很多，以及其電子遷移率比硅或碳化硅器件更高，因此氮化鎵高電子遷移率晶體管可具更快速開關的優勢。圖二展示在一個12 V 轉1.2 V的降壓轉換器，一個氮化鎵晶體管與兩個硅功率MOSFET器件的過渡時間的比較。 氮化鎵晶體管的開關時間是等效40 V 硅器件的五分之一，以及是等效25 V硅器件的四分之一。這再次為氮化鎵器件加分!