氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET是近年來新興的功率半導體，相比於傳統的矽材料功率半導體，他們都具有許多非常優異的特性：耐壓高，導通電阻小，寄生參數小等。他們也有各自與眾不同的特性：氮化鎵電晶體的極小寄生參數，極快開關速度使其特別適合高頻應用。碳化矽MOSFET的易驅動，高可靠等特性使其適合於高性能開關電源中。 本文基於英飛凌科技有限公司的氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET產品，對他們的結構、特性、兩者的應用差異等方面進行了詳細的介紹。 1. 引 言 作為第三代功率半導體的絕代雙驕，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET日益引起工業界，特別是電力電子工程師的重視。之所以工程師如此重視這兩種功率半導體，是因為其材料與傳統的矽材料相比有諸多的優點，如圖1所示。氮化鎵和碳化矽材料具有更大的禁帶寬度，更高的臨界場強使得基於這兩種材料的功率半導體具有高耐壓，低導通電阻，寄生參數小等優異特性。當應用於開關電源領域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優點，可以大大提升開關電源的效率，功率密度和可靠性等性能。 由於具有以上優異的特性，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET正越來越多的被應用於工業領域，且將被更大規模的應用。
2. 氮化鎵電晶體結構及其特性 2.1 氮化鎵電晶體的結構 與矽材料的功率半導體不同，氮化鎵電晶體通過兩種不同禁帶寬度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的壓電效應形成的二維電子氣（2DEG）來導電，如圖2所示。由於二維電子氣只有高濃度電子導電，因此不存在矽MOSFET的少數載流子複合（即體二極體反向恢復）的問題。 級聯結構的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個低壓的矽MOSFET級聯在一起，該結構的好處是其驅動與傳統矽MOSFET的驅動完全相同（因為驅動的就是一個矽MOSFET），但是該結構也有很大的缺點，首先矽MOSFET有體二極體，在氮化鎵反嚮導通電流時又存在體二極體的反向恢復問題。其次矽MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在矽MOSFET開通和關斷過程中漏極對源極出現的振盪就是氮化鎵源極對門極的振盪，由於此振盪時不可避免的，那麼就存在氮化鎵電晶體被誤開通和關斷的可能。最後由於是兩個功率器件級聯在一起，限制了整個氮化鎵器件的導通電阻的進一步減小的可能性。
由於級聯結構存在以上問題，在功率半導體界氮化鎵電晶體的主流技術是增強型氮化鎵電晶體。以英飛凌科技有限公司的氮化鎵電晶體CoolGaN™為例，其詳細結構如圖4所示。 如圖4所示，目前業界的氮化鎵電晶體產品是平面結構，即源極，門極和漏極在同一平面內，這與與超級結技術(Super Junction)為代表的矽MOSFET的垂直結構不同。門極下面的P-GaN結構形成了前面所述的增強型氮化鎵電晶體。漏極旁邊的另一個p-GaN結構是為了解決氮化鎵電晶體中常出現的電流坍陷(Current collapse)問題。英飛凌科技有限公司的CoolGaN™產品的基材（Substrate）採用矽材料，這樣可以大大降低氮化鎵電晶體的材料成本。由於矽材料和氮化鎵材料的熱膨脹係數差異很大，因此在基材和GaN之間增加了許多過渡層(Transition layers)，從而保證氮化鎵電晶體在高低溫循環，高低溫衝擊等惡劣工況下不會出現晶圓分層等失效問題。
2.2. 氮化鎵電晶體的特性 基於圖4所示的結構，CoolGaN™具有表1所示特性及其帶來的優點。 由以上分析可知，氮化鎵電晶體適合於高效率，高頻率，高功率密度要求的應用場合。
3. 碳化矽MOSFET結構及其特性 3.1 碳化矽MOSFET的結構 常見的平面型(Planar)碳化矽MOSFET的結構如圖7所示。為了減小通道電阻，這種結構通常設計為很薄的門極氧化層，由此帶來在較高的門極輸入電壓下門極氧化層的可靠性風險。為了解決這個問題英飛凌科技有限公司的碳化矽MOSFET產品CoolSiC™採用了不同的門極結構，該結構稱為溝槽型（Trench）碳化矽MOSFET，其門極結構如圖8所示。採用此結構後，碳化矽MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關，那麼可以在保證門極高靠可行性同時導通電阻仍舊可以做到極低。
碳化矽MOSFET還有一項出眾的特性：短路能力。相比矽MOSFET短路時間大大提升，這對於變頻器等馬達驅動應用非常重要，圖10給出了英飛凌CoolSiC™、CoolMOS™及競爭對手短路能力的對比圖。從圖可知CoolSiC™實現了短路時間長，短路電流小等優異特性，短路狀態下的可靠性大大提高。   本章節對氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET各自的結構和特性進行了介紹，下面將對兩者在參數上和實際電路上進行對比。
4. 氮化鎵和碳化矽MOSFET對比 4.1. 電氣參數對比 表2是基於英飛凌科技有限公司的氮化鎵電晶體CoolGaN™和碳化矽MOSFET CoolSiC™，對兩種功率半導體的關鍵參數進行了對比。
從表2可知，氮化鎵電晶體在動態參數上都低於碳化矽MOSFET，因此氮化鎵電晶體的開關損耗低於碳化矽MOSFET，在高工作頻率下的優勢會更明顯。電流反向流動時（源極到漏極）氮化鎵電晶體的壓降與其門極到源極的驅動電壓相關，需要根據應用情況對比孰高孰低。對於最後一項門限電壓Vgs(th)，氮化鎵電晶體的數值非常小，意味著對於氮化鎵電晶體的驅動設計要非常注意，如果門極上的噪聲較大，有可能引起氮化鎵電晶體的誤開通。同時CoolGaN™為電流型驅動模式，與傳統的電壓型驅動有所不同。而碳化矽MOSFET的門限電壓高很多，其驅動要求與IGBT驅動非常接近。
圖11給出了另外一個重要的參數的對比，即導通電阻RDS(on)隨溫度變化率。眾所周知功率半導體開關的導通電阻都是正溫度係數，即結溫越高則導通電阻越大。從圖11可知碳化矽MOSFET的溫升係數遠小於氮化鎵電晶體以及矽MOSFET，在結溫100°C時相差已經達到30%和50%。根據圖11可知，假設在25°C結溫時碳化矽MOSFET和氮化鎵電晶體的導通電阻相同，在同一個應用電路中意味著兩者的導通損耗(〖I_Drms〗^2*R_(DS(on)))相同，但是當兩者的結溫升高到100°C時，碳化矽MOSFET的導通損耗只有氮化鎵電晶體的70%，這對於那些環境要求苛刻，高溫下也需要保持高效率的應用場景非常具有吸引力。 4.2. 應用對比 首先在圖5所示的電流連續模式(CCM)的圖騰柱(totem-pole)無橋PFC電路上對氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET對轉換效率的影響進行了測試，測試條件如表3所示。
5. 氮化鎵和碳化矽MOSFET應用建議 根據第3章和第4章的論述，基於英飛凌科技有限公司的氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET產品，對於這兩種寬禁帶功率半導體的應用建議如下： （1）所應用系統由於某些原因必須工作於超過200KHz以上的頻率，首選氮化鎵電晶體，次選碳化矽MOSFET；若工作頻率低於200KHz，兩者皆可使用； （2）所應用系統要求輕載至半載效率極高，首選氮化鎵電晶體，次選碳化矽MOSFET； （3）所應用系統工作最高環境溫度高，或散熱困難，或滿載要求效率極高，首選碳化矽MOSFET，次選氮化鎵電晶體； （4）所應用系統噪聲干擾較大，特別是門極驅動干擾較大，首選碳化矽MOSFET，次選氮化鎵電晶體； （5）所應用系統需要功率開關由較大的短路能力，首選碳化矽MOSFET； （6）對於其他無特殊要求的應用系統，此時根據散熱方式，功率密度，設計者對兩者的熟悉程度等因素來確定選擇哪種產品。
6. 總 結 本文對近年來出現的寬禁帶功率半導體即氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET的結構、特性、兩者的性能差異和應用建議進行了詳細的介紹。由於寬禁帶功率半導體有著許多矽材料半導體無法比擬的性能優勢，因此工業界越來越多地趨向使用它們。 而隨著業界對兩者的熟悉程度和應用經驗越來越高，兩者的使用量會急劇上升，從而帶動兩者價格的下降，這又會反過來推動寬禁帶功率半導體被更大規模的使用，形成良性循環。因此儘早掌握和使用寬禁帶功率半導體對於電氣工程師提高產品的競爭力，提高產品知名度以及自身的能力都具有非常重要的意義。相信本文對於電氣工程師熟悉和使用寬禁帶功率半導體具有非常大的參考和借鑑意義。 |
