GaN HEMT：一些器件特性和應(yīng)用權(quán)衡，第二部分

GaN HEMT 的短路耐受時(shí)間 (SCWT)：

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，功率器件需要承受過載或故障條件，這些條件會(huì)造成器件處于高電壓和高電流導(dǎo)通狀態(tài)且器件處于飽和狀態(tài)。高溫會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。功率器件及其柵極驅(qū)動(dòng)器需要協(xié)同工作才能關(guān)閉器件，之前將 1us 視為正常響應(yīng)時(shí)間。幾項(xiàng)關(guān)于 GaN HEMT 的研究報(bào)告了更短的 SCWT 時(shí)間，這被認(rèn)為是來自高電流密度，尤其是在低 Rdson 器件中。隨著 Vds 升高，SCWT 急劇下降，許多研究表明 Vds ≥ 400V 時(shí)小于 500ns。較低的 Vgs 也有幫助，因?yàn)?SCWT 在高 Vgs 下的退化被認(rèn)為是由于柵極下方的空穴積累造成的[4]. 一項(xiàng)比較級(jí)聯(lián)與電子模式 HEMT [5]的研究表明，短路 (SC) 熱事件導(dǎo)致級(jí)聯(lián)設(shè)備中的 Idsat 下降低于電子模式設(shè)備，這使得它們對(duì) SC 事件的魯棒性較低。由于自熱導(dǎo)致的 e-mode 設(shè)備上 Idsat 的較大百分比下降有助于加強(qiáng)其 SC 行為。

一項(xiàng)研究[6]提出了 SCWT 安全操作區(qū)域，其中作者還研究了重復(fù) SC 事件的影響。研究發(fā)現(xiàn)，盡管 Vds 為 400V 和 Vgs 為 6V 的單個(gè) SC 事件允許較大的 SCWT (>300us)，但在這些偏置條件下，重復(fù)的 SC 事件僅導(dǎo)致 20ns 的 SCWT。Vds 和/或 Vgs 的顯著降額對(duì)于改善這個(gè)時(shí)間是必要的。作者得出結(jié)論，薄 GaN 溝道層中的熱限制會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致故障。Transphorm 獲得了一種改進(jìn) SCWT 的方法的專利。這種方法[7]被稱為短路電流限制器 (SCCL) 有效地減少了柵極下方通道的有源區(qū)域，從而降低了 Idsat 并改善了 SCWT，但 Rdson 損失可能在 10-30% 之間。當(dāng)與去飽和檢測(cè) (DESAT) 柵極驅(qū)動(dòng)器配對(duì)時(shí)，在 Vds = 400V 和完整 Vgs = 12V 時(shí)獲得 800ns 檢測(cè)。已經(jīng)提出了幾種快速 SC 檢測(cè)方法，很明顯，該領(lǐng)域需要重大發(fā)展來驗(yàn)證 GaN HEMT 在電機(jī)控制應(yīng)用中的使用，特別是在電壓 ≥ 400V 的情況下。

三、包裝：

級(jí)聯(lián)拓?fù)鋵?duì)柵極電壓更穩(wěn)健，因此在一定程度上比 e 模式對(duì)應(yīng)物更能不受寄生電感/電容的影響。一些共源共柵器件采用耐熱封裝，如 TO-247。E 模式器件在很大程度上更容易出現(xiàn)柵極噪聲問題，因此必須仔細(xì)考慮與封裝相關(guān)的寄生效應(yīng)。因此，許多為此提供的產(chǎn)品都采用無鉛平面封裝。因此，封裝級(jí)別的技術(shù)開發(fā)對(duì)于確保這些高功率密度器件所需的高散熱能力至關(guān)重要。具有開爾文源極連接還允許在沒有公共源極電感的情況下進(jìn)行更精確的柵極控制。GaN Systems 推出了具有低熱阻的創(chuàng)新 GaNPX® 封裝。

微波功率器件的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生了重要的影響。第一代硅(Si)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展奠定了現(xiàn)有信息技術(shù)的基礎(chǔ)，第二代砷化嫁(GaAs)化合物半導(dǎo)體技術(shù)，在微波射頻(RF)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，手機(jī)的功率放大器是其主要的應(yīng)用領(lǐng)域。第三代氮化嫁(GaN)化合物半導(dǎo)體技術(shù)在最近幾年得到了長足發(fā)展，主要是第四代和第五代移動(dòng)通訊大功率基站和雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用需求。這些半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用都和半導(dǎo)體材料的物理特性直接相關(guān)，材料特性決定了GaN在微波射頻大功率器件應(yīng)用領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。品質(zhì)因數(shù)就是用來表征半導(dǎo)體高溫、高功率以及高頻特性的指標(biāo)。

GaN HEMT芯片是新一代半導(dǎo)體器件，由于其優(yōu)異的功率特性和頻率特性，受到國內(nèi)外廣泛重視，成為各國高科技研發(fā)的重點(diǎn)。美國一直把GaN微波功率器件及微波單片集成電路(MMIC)作為重點(diǎn)支持的領(lǐng)域，自2001年起先后啟動(dòng)了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃和寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃來推動(dòng)GaN, SiC材料和器件的制造和改進(jìn)。國外己開始用GaN功率HEMT器件來研制新一代相控陣?yán)走_(dá)和高可靠的航空、航天電子裝備。