如何使用氮化鎵：增強(qiáng)型氮化鎵晶體管的電學(xué)特性

對(duì)于一直使用功率MOSFET器件設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功率系統(tǒng)工程師來說，使用更高效的增強(qiáng)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(shì)，我們還需考慮它的幾個(gè)特性以實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。

留意這些電學(xué)特性

每個(gè)半導(dǎo)體的性能都有其極限值，器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)里通常清楚地列明這些極限值，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師如何創(chuàng)建各種設(shè)計(jì)而不會(huì)于質(zhì)量或可靠性方面發(fā)生任何潛在問題。增強(qiáng)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(duì)地較低，設(shè)計(jì)師需要確保他們所設(shè)計(jì)的版圖不會(huì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管在大約4 V時(shí)可完全得以增強(qiáng)，以上的要求并不會(huì)構(gòu)成很大的問題。我們寫了多篇技術(shù)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(shè)計(jì)工程師如何避免受這個(gè)限制影響，但最簡(jiǎn)單的解決方案是使用已推出市場(chǎng)、保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極的商用柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路，同時(shí)利用非?？焖俚拈_關(guān)時(shí)間。

圖1：EPC2010 器件的歸一化閾值電壓與溫度的關(guān)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(dǎo)通電阻R DS(ON))是指氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管在柵極至源極之間施加5 V 電壓的電阻值。導(dǎo)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(shù)相比，氮化鎵技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它的導(dǎo)通電阻隨溫度而增加的幅

度較小，如圖2所示。對(duì)于硅器件來說，從25 ℃至100 ℃時(shí)，其R DS(ON))的增幅超過70%，而氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的增幅只有約50%。假設(shè)在25 ℃時(shí)這兩個(gè)技術(shù)具有相同的初始導(dǎo)通電阻值，與硅器件相比，氮化鎵晶體管在典型的100 ℃結(jié)溫時(shí)的導(dǎo)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(guān)系的比較。

反向二極體

與功率MOSFET器件相同，增強(qiáng)型氮化鎵晶體管可在反方向?qū)?。不過后者的物理機(jī)理不同。一個(gè)硅功率MOSFET的p-n二極體與場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)通。這個(gè)電荷被儲(chǔ)存于漏極區(qū)域(QRR)達(dá)數(shù)十納秒(tRR)后將在二極體關(guān)閉時(shí)變?yōu)闊釗p耗。如果要求快速開關(guān)， 這是一個(gè)重大缺點(diǎn)。當(dāng)柵極與漏極之間的電極具正向電壓，增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電子通道會(huì)因開啟而出現(xiàn)反向傳導(dǎo)。當(dāng)除去電壓，沒有儲(chǔ)存電荷損耗(tRR=0, QRR=0)時(shí)，通道會(huì)立即關(guān)閉。壞處是器件在源極與漏極之間的壓降會(huì)比一個(gè)等效功率MOSFET器件為大(見圖3)。要把這個(gè)比較更高的壓降VSD降至最低，以及要發(fā)揮氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的最優(yōu)性能，必需保持最短促死區(qū)時(shí)間，以避免交叉?zhèn)鲗?dǎo)。

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(guān)系的比較。

極大優(yōu)勢(shì)：非常低電容及電荷

一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電容是決定器件從開啟至關(guān)閉或者從關(guān)閉至開啟的狀態(tài)下，在電源轉(zhuǎn)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(gè)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(shí)間等于電荷，因此查看改變氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管各個(gè)端子間的電壓所需的電荷量， 很多時(shí)候會(huì)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(dá)至所需的電壓值。從這個(gè)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(qiáng)。這可以演繹為更快速開關(guān)及更低開關(guān)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(guān)系的比較。[!--empirenews.page--]

品質(zhì)因數(shù)

為了在電源轉(zhuǎn)換電路中有效地比較增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)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(gè)給定的柵極電荷(QG)與導(dǎo)通電阻(RDS(ON))的乘積的品質(zhì)因數(shù)，用來標(biāo)示器件經(jīng)過新一代改進(jìn)及與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比。這種品質(zhì)因數(shù)非常有用，因?yàn)椴还芫某叽缍啻?，這種品質(zhì)因數(shù)對(duì)特定的技術(shù)或“某代”器件來說幾乎是常數(shù)。此外，它與器件的性能有關(guān)，可用來預(yù)測(cè)新技術(shù)于改進(jìn)后的功耗，但當(dāng)器件用作開關(guān)元件而不是導(dǎo)通元件時(shí)，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(gè)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?yàn)檫@種品質(zhì)因數(shù)最適合用于當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管被用作整流器時(shí)，例如降壓轉(zhuǎn)換器的低側(cè)晶體管。我們稱第二種品質(zhì)因數(shù)為“開關(guān)品質(zhì)因數(shù)”，因?yàn)樗钸m合描述常用作開關(guān)元件的性能，例如標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的上側(cè)晶體管。在這兩種品質(zhì)因數(shù)中，開關(guān)性能在‘硬開關(guān)’轉(zhuǎn)換器的電路中比較重要。

圖5顯示了氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和各種等效硅MOSFET 器件的RDS(ON) 與QGD 的關(guān)系。從圖中可以看出，基于開關(guān)品質(zhì)因數(shù)，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)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(shì)。以下是一些觀察所得的結(jié)果：

• 40V 的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相當(dāng)于25 V 的橫向硅器件

• 100V 的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相當(dāng)于40 V 的垂直硅器件

• 200V 的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相當(dāng)于100 V 的垂直硅器件

圖5: 氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和各種等效硅MOSFET 器件的RDS(ON) 與QGD 的關(guān)系。

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

• 40V 的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相當(dāng)于最好的25 V 橫向硅器件

• 100V 的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相當(dāng)于25 V 的垂直硅器件

• 200V 的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相當(dāng)于40 V 的垂直硅器件

最優(yōu)封裝

讓我們看看氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管及先進(jìn)MOSFET在與封裝有關(guān)方面的比較。

半導(dǎo)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(dǎo)體晶片相比，封裝會(huì)降低性能：增加導(dǎo)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(hù)自己，這是因?yàn)楣柚系牡壴唤^緣玻璃厚層包圍。這個(gè)特性使得宜普公司的eGaN FET可以使用晶片級(jí)LGA封裝，如圖7所示。由于使用這種封裝，與市場(chǎng)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(dǎo)性能。

圖7：EPC2001氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的晶片級(jí)LGA 封裝， 尺寸為大約4mm x 1.6mm。

結(jié)論

本章討論了增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本電學(xué)和機(jī)械特性，從中可以看到它們與目前最先進(jìn)的硅功率MOSFET 相比，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于硅功率MOSFET 從三十年前推出至今已經(jīng)過了很長(zhǎng)時(shí)間的改進(jìn)，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(jié)構(gòu)和幾何尺寸的優(yōu)化將呈現(xiàn)類似的改進(jìn)歷程。