如何使用氮化镓器件：引进氮化镓晶体管技术

本文是专为功率系统设计工程师及工程经理而设的连载文章的第一章。我们在未来数个月将介绍应用于电源转换的氮化镓技术，并讨论其基本设计及辅以应用范例。硅器件已称王多时，现在我们可利用一个全新技术替代它!

氮化镓启航

HEMT(高电子迁移率晶体管)氮化镓(GaN)晶体管大约最早在二零零四年出现，当时日本的Eudyna公司推出一种耗尽型射频晶体管。通过在碳化硅基板上使用氮化镓，Eudyna公司成功生产了为射频市场而设的晶体管。高电子迁移率晶体管的结构基于在接近AlGaN和GaN异质结构界面处异常高的电子迁移率，被描述为二维电子气(2DEG)。将这种现象应用于碳化硅上生长的氮化镓，Eudyna公司成功生产出在数吉赫兹频率范围内的基准功率增益。而Nitronex公司在二零零五年推出第一种耗尽型射频高电子迁移率晶体管，首次利用硅基上生成的氮化镓晶圆制造，采用的是Nitronex公司的SIGANTIC®技术。

随着另外几家公司参与市场发展，氮化镓射频晶体管在射频应用领域继续阔步前进。但在这个市场以外的认受性却非常有限，主要的原因是器件的成本和耗尽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强型硅基氮化镓(eGaN®)场效应晶体管(FET)。这种晶体管专门设计用于替代功率MOSFET器件。这些产品可以使用标准硅的制造技术和设备，以低成本大批量生产。

我们对功率半导体最基本的要求是其性能、可靠性、管控性及成本。任何新器件的结构如果不具备这些特征的话，便不可能商品化。

让我们对作为下一代功率器件发展平台的硅、碳化硅及氮化镓器件进行比较。

为什么使用氮化镓器件?

从一九五零年代开始，硅是功率半导体的主要材料。与锗或硒等其它早期半导体材料相比，它具有四大特点：

1. 硅器件推动了全新应用的出现;

2. 硅器件被证实更为可靠;

3. 硅器件在多方面易于使用;

4. 硅器件具更低成本。

新一代功率晶体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为优胜。

硅器件的优势是基于其基本物理特性及在制造基础设施和工程方面的庞大投资。现在让我们来了解硅的几个基本性能，以及它与其它替代材料的比较。表一展示了用于功率管理市场的三种竞争半导体材料的三种主要电学性能。

表一：氮化镓、碳化硅及硅材料的性能比较

如何使用以上的基本结晶参数对功率晶体管的性能进行比较，其中的一个办法是比较以上三个器件理论上可实现的最大性能。功率器件的众多特性对目前的电源转换系统具有相当的影响，其中五个最重要的特性包括器件的传导效率、击穿电压、开关速度、尺寸及成本。这些器件特性决定可实现的系统频率及功率密度。

从表一的数据(对氮化镓二维电子气的高迁移率做出调整后)我们可以得出作为击穿电压及材料函数的理论上最小电阻(电导的倒数)。

表一展示了由于碳化硅与氮化镓器件均具有比较高的临界电场强度，使它们的电阻及击穿电压具优越关系，允许器件在给定的击穿电压下实现更小尺寸，以及我们可以把端子更紧密地排列在一起。此外，与碳化硅器件相比，氮化镓器件的另一个额外优势是由于二维电子气的电子迁移率较高，使氮化镓器件可以在给定的电阻及击穿电压下具有更小的尺寸，为氮化镓器件加分!

由于氮化镓器件可以比硅器件小很多，以及其电子迁移率比硅或碳化硅器件更高，因此氮化镓高电子迁移率晶体管可具更快速开关的优势。图二展示在一个12 V 转1.2 V的降压转换器，一个氮化镓晶体管与两个硅功率MOSFET器件的过渡时间的比较。 氮化镓晶体管的开关时间是等效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。这再次为氮化镓器件加分!