氮化鎵和碳化硅的結(jié)構(gòu)和性能有何不同

作為第三代功率半導(dǎo)體的絕世雙胞胎，氮化鎵MOS管和碳化硅MOS管日益受到業(yè)界特別是電氣工程師的關(guān)注。電氣工程師之所以如此關(guān)注這兩種功率半導(dǎo)體，是因?yàn)樗鼈兊牟牧吓c傳統(tǒng)的硅材料相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。
氮化鎵和碳化硅材料較大的禁帶寬度和較高的臨界場(chǎng)強(qiáng)，使得基于這兩種材料的功率半導(dǎo)體具有耐壓高、導(dǎo)通電阻低、寄生參數(shù)小等優(yōu)良特性。
應(yīng)用于開關(guān)電源領(lǐng)域時(shí)，具有損耗小、工作頻率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高開關(guān)電源的效率、功率密度和可靠性。
由于這些優(yōu)異的特性，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET正越來越多地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，并將在更大范圍內(nèi)得到應(yīng)用。

氮化鎵MOS管的結(jié)構(gòu)和特性
與硅制成的功率半導(dǎo)體不同，氮化鎵晶體管通過兩種不同帶隙材料（通常是AlGaN和GaN）在界面處的壓電效應(yīng)形成的二維電子氣（2DEG）導(dǎo)電。由于二維電子氣只導(dǎo)電與高濃度的電子，不存在硅MOSFET的少數(shù)載流子復(fù)合（即體二極管反向恢復(fù)）的問題。
這與傳統(tǒng)的常閉MOSFET或IGBT電源開關(guān)完全不同，后者很難用于工業(yè)應(yīng)用，尤其是開關(guān)電源領(lǐng)域。
為了應(yīng)對(duì)這一問題，業(yè)界通常有兩種解決方案。一種是采用共源共柵結(jié)構(gòu)，另一種是在柵極上加入P型氮化鎵，形成增強(qiáng)型（常閉）晶體管。
氮化鎵該級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是耗盡型氮化鎵與低壓硅MOSFET級(jí)聯(lián)而成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，它的驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)的硅MOSFET完全相同（因?yàn)樗怯扇欢?，這種結(jié)構(gòu)也有重大缺點(diǎn)。首先，硅MOSFET有體二極管，當(dāng)?shù)壏聪騻鲗?dǎo)電流時(shí)，存在體二極管的反向恢復(fù)問題。

其次，硅MOSFET的漏極連接到耗盡型氮化鎵的源極。在硅MOSFET的開通和關(guān)斷過程中，漏極和源極之間的振蕩是源極和氮化鎵柵極之間的振蕩。由于這種振蕩，不可避免地存在氮化鎵晶體管可能被錯(cuò)誤地接通和斷開的可能性。
最后，由于兩個(gè)功率器件級(jí)聯(lián)在一起，進(jìn)一步降低整個(gè)氮化鎵器件的導(dǎo)通電阻的可能性受到限制。

結(jié)構(gòu)的碳化硅MOSFET
常見的平面碳化硅MOS管的結(jié)構(gòu)。為了降低溝道電阻，這種結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)一層很薄的柵氧化層，這給柵氧化層在較高的柵輸入電壓下帶來了可靠性風(fēng)險(xiǎn)。
KeepTops的碳化硅MOSFET產(chǎn)品CoolSiC采用了不同的柵極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為溝槽碳化硅MOSFET。采用這種結(jié)構(gòu)后，碳化硅MOSFET的溝道電阻不再與柵極氧化層有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此在保證較高的柵極可靠性和可行性的同時(shí)，導(dǎo)通電阻仍然可以極低。
氮化鎵和碳化硅MOSFET的應(yīng)用推薦
(1) 由于某些原因，所應(yīng)用的系統(tǒng)必須在超過200KHz的頻率下工作。氮化鎵晶體管是首選，碳化硅MOSFET是第二選擇。如果工作頻率低于200KHz，這兩種都可以使用。
(2) 所應(yīng)用的系統(tǒng)從輕負(fù)載到半負(fù)載都要求極高的效率。氮化鎵晶體管是第一選擇，其次是碳化硅MOSFET。
(3) 應(yīng)用系統(tǒng)的最高環(huán)境溫度高，或難以散熱，或要求在滿負(fù)荷時(shí)有極高的效率。碳化硅MOSFET是首選，氮化鎵晶體管是第二選擇。
(4) 所應(yīng)用的系統(tǒng)存在較大的噪聲干擾，尤其是門極驅(qū)動(dòng)干擾。碳化硅MOSFET是第一選擇，氮化鎵晶體管是第二選擇。
(5) 應(yīng)用的系統(tǒng)要求功率開關(guān)具有較大的短路能力，碳化硅MOSFET是首選。
(6) 對(duì)于其他無特殊要求的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)散熱方式、功率密度以及設(shè)計(jì)者對(duì)兩者的熟悉程度等因素，確定選用哪種產(chǎn)品。

審核編輯 黃宇