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GaN和SiC我们知道多少

2021-06-10 11:01:25 小亿 9
氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET是近两三年来新兴的功率半导体,相比于传统的硅材料功率半导体,他们都具有许多非常优异的特性:耐压高,导通电阻小,寄生参数小等。他们也有各自与众不同的特性:氮化镓晶体管的极小寄生参数,极快开关速度使其特别适合高频应用。碳化硅MOSFET的易驱动,高可靠等特性使其适合于高性能开关电源中。


作为第三代功率半导体的绝代双骄,氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET日益引起工业界,特别是电气工程师的重视。之所以电气工程师如此重视这两种功率半导体,是因为其材料与传统的硅材料相比有诸多的优点,如图1所示。氮化镓和碳化硅材料更大的禁带宽度,更高的临界场强使得基于这两种材料制作的功率半导体具有高耐压,低导通电阻,寄生参数小等优异特性。当应用于开关电源领域中,具有损耗小,工作频率高,可靠性高等优点,可以大大提升开关电源的效率,功率密度和可靠性等性能。

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图1:硅、碳化硅,氮化镓三种材料关键特性对比

由于具有以上优异的特性,氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET正越来越多的被应用于工业领域,且将被更大规模的应用。图2是IHS Markit给出的这两种功率半导体应用领域及其销售额预测。随着应用领域的扩大,氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET的销售额也将随之大幅度增长。图3是IHS Markit提供的这两种功率半导体销售量预测。

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图2:氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET应用领域及销售额预测

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图3:氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET销售额预测

在本文的第2章,将对氮化镓晶体管的结构和特性,特别是英飞凌科技有限公司的氮化镓晶体管产品进行详细的介绍。第3章将对碳化硅MOSFET的结构和特性特别是英飞凌科技有限公司的碳化硅MOSFET产品进行详细的介绍。在第4章中,将对采用这两种功率半导体应用于同一电路中进行对比分析,从而更清晰的说明两者应用中的相同点和不同点,最后将对全文进行总结。

氮化镓晶体管结构及其特性


氮化镓晶体管的结构


与硅材料的功率半导体不同,氮化镓晶体管通过两种不同禁带宽度(通常是AlGaN和GaN)材料在交界面的压电效应形成的二维电子气(2DEG)来导电,如图4所示。由于二维电子气只有高浓度电子导电,因此不存在硅MOSFET的少数载流子复合(即体二极管反向恢复)的问题。

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图4:氮化镓导电原理示意图

图4所示的基本氮化镓晶体管的结构是一种耗尽模式(depletion-mode)的高电子移动率晶体管(HEMT),这意味着在门极和源极之间不加任何电压(VGS=0V)情况下氮化镓晶体管的漏极和元件之间是导通的,即是常开器件。这与传统的常闭型MOSFET或者IGBT功率开关都完全不同,对于工业应用特别是开关电源领域是非常难以使用的。为了应对这一问题,业界通常有两种解决方案,一是采用级联(cascode)结构,二是采用在门极增加P型氮化镓从而形成增强型(常闭)晶体管。两者结构如图5所示。

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图5:两种结构的氮化镓晶体管

级联结构的氮化镓是耗尽型氮化镓与一个低压的硅MOSFET级联在一起,该结构的好处是其驱动与传统硅MOSFET的驱动完全相同(因为驱动的就是一个硅MOSFET),但是该结构也有很大的缺点,首先硅MOSFET有体二极管,在氮化镓反向导通电流时又存在体二极管的反向恢复问题。其次硅MOSFET的漏极与耗尽型氮化镓的源极相连,在硅MOSFET开通和关断过程中漏极对源极出现的振荡就是氮化镓源极对门极的振荡,由于此振荡时不可避免的,那么就存在氮化镓晶体管被误开通和关断的可能。最后由于是两个功率器件级联在一起,限制了整个氮化镓器件的导通电阻的进一步减小的可能性。

由于级联结构存在以上问题,在功率半导体界氮化镓晶体管的主流技术是增强型氮化镓晶体管。

氮化镓和碳化硅 MOSFET应用建议

氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET产品,对于这两种宽禁带功率半导体的应用建议如下:


(1)所应用系统由于某些原因必须工作于超过200KHz以上的频率,首选氮化镓晶体管,次选碳化硅MOSFET;若工作频率低于200KHz,两者皆可使用;

(2)所应用系统要求轻载至半载效率极高,首选氮化镓晶体管,次选碳化硅 MOSFET;

(3)所应用系统工作最高环境温度高,或散热困难,或满载要求效率极高,首选碳化硅 MOSFET,次选氮化镓晶体管;

(4)所应用系统噪声干扰较大,特别是门极驱动干扰较大,首选碳化硅 MOSFET,次选氮化镓晶体管;

(5)所应用系统需要功率开关由较大的短路能力,首选碳化硅 MOSFET;

(6)对于其他无特殊要求的应用系统,此时根据散热方式,功率密度,设计者对两者的熟悉程度等因素来确定选择哪种产品。

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