如何使用氮化鎵：增強型氮化鎵晶體管的電學特性

對于一直使用功率MOSFET器件設計產(chǎn)品的功率系統(tǒng)工程師來說，使用更高效的增強型氮化鎵晶體管并不困難。雖然兩種器件的基本工作特性非常相似，如果想發(fā)揮這種新世代器件的最大優(yōu)勢，我們還需考慮它的幾個特性以實現(xiàn)高效設計。

留意這些電學特性

每個半導體的性能都有其極限值，器件的數(shù)據(jù)手冊里通常清楚地列明這些極限值，以指導設計工程師如何創(chuàng)建各種設計而不會于質(zhì)量或可靠性方面發(fā)生任何潛在問題。增強型氮化鎵晶體管如宜普公司的

eGaN® FET與商用功率MOSFET器件具有相同的最高額定值，其最大可容柵極電壓除外。在柵極與源極之間施加的最大可容柵極電壓(VGS)，其在正方向的最大值為6 V， 而在反方向的最大值為5 V。與功率MOSFET 器件相比，這些值相對地較低，設計師需要確保他們所設計的版圖不會使柵極電壓超出這些極限值而形成過沖的現(xiàn)象。

一般來說由于場效應晶體管在大約4 V時可完全得以增強，以上的要求并不會構成很大的問題。我們寫了多篇技術文章(Power Electronics雜志：eGaN FET與功率硅器件比拼文章: Drivers, Layout; Impact of Parasitics on Performance 及Optimal PCB Layout)來幫助設計工程師如何避免受這個限制影響，但最簡單的解決方案是使用已推出市場、保護場效應晶體管柵極的商用柵極驅(qū)動器集成電路，同時利用非?？焖俚拈_關時間。

圖1：EPC2010 器件的歸一化閾值電壓與溫度的關系– 可看到該器件在通常的工作溫度范圍內(nèi)只有3% 的變化。

導通電阻R DS(ON))是指氮化鎵場效應晶體管在柵極至源極之間施加5 V 電壓的電阻值。導通電阻值將隨所施加的柵極電壓及器件的溫度而變化。與硅技術相比，氮化鎵技術的另一個優(yōu)勢是它的導通電阻隨溫度而增加的幅

度較小，如圖2所示。對于硅器件來說，從25 ℃至100 ℃時，其R DS(ON))的增幅超過70%，而氮化鎵場效應晶體管的增幅只有約50%。假設在25 ℃時這兩個技術具有相同的初始導通電阻值，與硅器件相比，氮化鎵晶體管在典型的100 ℃結溫時的導通電阻值將大約低15%。[!--empirenews.page--]

圖2：EPC2010 器件與額定電壓為200V的硅MOSFET相比，歸一化R DS(ON))電阻值與溫度的關系的比較。

反向二極體

與功率MOSFET器件相同，增強型氮化鎵晶體管可在反方向?qū)?。不過后者的物理機理不同。一個硅功率MOSFET的p-n二極體與場效應晶體管融合，通過把少數(shù)載流子注入漏極區(qū)域而得以導通。這個電荷被儲存于漏極區(qū)域(QRR)達數(shù)十納秒(tRR)后將在二極體關閉時變?yōu)闊釗p耗。如果要求快速開關， 這是一個重大缺點。當柵極與漏極之間的電極具正向電壓，增強型氮化鎵場效應晶體管的電子通道會因開啟而出現(xiàn)反向傳導。當除去電壓，沒有儲存電荷損耗(tRR=0, QRR=0)時，通道會立即關閉。壞處是器件在源極與漏極之間的壓降會比一個等效功率MOSFET器件為大(見圖3)。要把這個比較更高的壓降VSD降至最低，以及要發(fā)揮氮化鎵場效應晶體管的最優(yōu)性能，必需保持最短促死區(qū)時間，以避免交叉?zhèn)鲗А?/p>

圖3: eGaN FET與功率MOSFET器件的體二極管正向壓降, 與源極至漏極電流和溫度的關系的比較。

極大優(yōu)勢：非常低電容及電荷

一個場效應晶體管的電容是決定器件從開啟至關閉或者從關閉至開啟的狀態(tài)下，在電源轉換過程中能量損失的最大因素。在施加電壓范圍內(nèi)積分兩個端子之間的電容，可以取得電荷值(Q)，這是給電容充電

所消耗的電量。

由于電流乘以時間等于電荷，因此查看改變氮化鎵場效應晶體管各個端子間的電壓所需的電荷量， 很多時候會比較方便。圖4顯示了柵極電荷量(QG)來提供柵極至源極的電壓，以達至所需的電壓值。從這個圖表可以看出，具100 V、5.6 mΩ典型值的eGaN FET與具80 V、4.7 mΩ 典型值的功率MOSFET的比較。只需1/4電荷可以把eGaN FET增強。這可以演繹為更快速開關及更低開關功耗。

圖4: EPC2001 器件與英飛凌公司BSC057N08NS器件的柵極電荷與柵極電壓的關系的比較。[!--empirenews.page--]

品質(zhì)因數(shù)

為了在電源轉換電路中有效地比較增強型氮化鎵場效應晶體管和功率MOSFET 的性能潛力，我們首先看看各種品質(zhì)因數(shù)的定義。

MOSFET 器件的制造商常用一個給定的柵極電荷(QG)與導通電阻(RDS(ON))的乘積的品質(zhì)因數(shù)，用來標示器件經(jīng)過新一代改進及與競爭產(chǎn)品相比。這種品質(zhì)因數(shù)非常有用，因為不管晶片的尺寸多大，這種品質(zhì)因數(shù)對特定的技術或“某代”器件來說幾乎是常數(shù)。此外，它與器件的性能有關，可用來預測新技術于改進后的功耗，但當器件用作開關元件而不是導通元件時，這種品質(zhì)因數(shù)的差異并不明顯。因此我們將討論兩種不同的品質(zhì)因數(shù)。第一個是傳統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。我們把它稱為“整流器品質(zhì)因數(shù)”，因為這種品質(zhì)因數(shù)最適合用于當場效應晶體管被用作整流器時，例如降壓轉換器的低側晶體管。我們稱第二種品質(zhì)因數(shù)為“開關品質(zhì)因數(shù)”，因為它最適合描述常用作開關元件的性能，例如標準降壓轉換器的上側晶體管。在這兩種品質(zhì)因數(shù)中，開關性能在‘硬開關’轉換器的電路中比較重要。

圖5顯示了氮化鎵場效應晶體管和各種等效硅MOSFET 器件的RDS(ON) 與QGD 的關系。從圖中可以看出，基于開關品質(zhì)因數(shù)，氮化鎵場效應晶體管與任何具有等效額定電壓的硅器件相比均具有明顯優(yōu)勢。以下是一些觀察所得的結果：

• 40V 的氮化鎵場效應晶體管相當于25 V 的橫向硅器件

• 100V 的氮化鎵場效應晶體管相當于40 V 的垂直硅器件

• 200V 的氮化鎵場效應晶體管相當于100 V 的垂直硅器件

圖5: 氮化鎵場效應晶體管和各種等效硅MOSFET 器件的RDS(ON) 與QGD 的關系。

圖6顯示整流器品質(zhì)因數(shù)，并繪出氮化鎵場效應晶體管和各種等效硅MOSFET器件的RDS(ON) 與QG 的關系。由此我們可以得出以下的結論：

• 40V 的氮化鎵場效應晶體管相當于最好的25 V 橫向硅器件

• 100V 的氮化鎵場效應晶體管相當于25 V 的垂直硅器件

• 200V 的氮化鎵場效應晶體管相當于40 V 的垂直硅器件

最優(yōu)封裝

讓我們看看氮化鎵場效應晶體管及先進MOSFET在與封裝有關方面的比較。

半導體器件一般通過封裝來提高其魯棒性和易用性。然而，與裸露的半導體晶片相比，封裝會降低性能：增加導通電阻、增加電感和尺寸，以及降低熱性能。

氮化鎵是自隔離式的，意謂可在不同環(huán)境下保護自己，這是因為硅之上的氮化鎵元件被絕緣玻璃厚層包圍。這個特性使得宜普公司的eGaN FET可以使用晶片級LGA封裝，如圖7所示。由于使用這種封裝，與市場上任何功率器件的封裝相比，eGaN FET的封裝具有最小尺寸、最低封裝阻抗、最低封裝電感及最高內(nèi)封裝熱傳導性能。

圖7：EPC2001氮化鎵場效應晶體管的晶片級LGA 封裝， 尺寸為大約4mm x 1.6mm。

結論

本章討論了增強型氮化鎵場效應晶體管的基本電學和機械特性，從中可以看到它們與目前最先進的硅功率MOSFET 相比，具有其獨特的優(yōu)勢。由于硅功率MOSFET 從三十年前推出至今已經(jīng)過了很長時間的改進，因此我們有理由相信，未來幾年氮化鎵功率晶體管的基本結構和幾何尺寸的優(yōu)化將呈現(xiàn)類似的改進歷程。