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宽带隙材料，例如氮化镓正在成为使电子性能更上一层楼的技术。与硅器件相比，基于GaN的电子元件具有许多重要优势，包括更紧凑的尺寸、更高的功率密度、更高的效率、更低的开关损耗和更好的热管理。这些因素对于 满足与高功率和高密度应用相关的日益严格的要求至关重要。
1.为什么GaN的宽带隙如此重要？
几十年来，大多数电力电子器件都是以硅为基础的，硅是一种可以低成本制造并且几乎没有缺陷的半导体。硅的理论性能现在几乎已经完全达到，突出了这种材料的一些限制，包括有限的电压阻断和有限的传热能力、效率和不可忽略的传导损耗。宽带隙(WBG)半导体，如氮化镓(氮化镓)，提供优于硅的性能，如更高的效率和开关频率，更高的工作温度和更高的工作电压。
氮化镓的带隙为3.2电子伏(eV)，比硅的带隙高出近3倍，等于1.1 eV。这意味着需要更多的能量来激发半导体导电带中的价电子。虽然这种特性限制了氮化镓在超低电压应用中的使用，但它具有允许更高击穿电压和更高温度下更高热稳定性的优势。GaN大大提高了功率转换级的效率，在高效电压转换器、功率MOSFETs和肖特基二极管的生产中成为硅的宝贵替代品。与硅相比，氮化镓可以获得重要的改进，例如更高的能效、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总成本。
2.GaN和SiC相似吗？
氮化镓和碳化硅都是宽带隙材料。虽然这些材料都具有出色的性能，但它们的特性、应用和栅极驱动要求各不相同。碳化硅可以在高功率和超高压(650伏以上)应用中与IGBT晶体管竞争。同样，在电压高达650伏的电源应用中，氮化镓可以与当前的金属氧化物半导体场效应晶体管和超级结金属氧化物半导体场效应晶体管竞争。
3.耗尽模式和增强模式有何不同？
GaN晶体管的基本结构，称为d型或耗尽型，如图1上侧所示。源极(S)和漏极(D)电极穿过AlGaN上层，与下层形成欧姆接触，由二维电子气体(2DEG)形成。源极和漏极之间的短路保持活跃，直到2DEG层释放的电子耗尽，之后氮化镓半绝缘层介入阻挡电流。为了实现这一点，栅电极(G)必须放置在AlGaN层的顶部。通常，栅电极由直接置于层表面的肖特基接触组成。通过向该电极施加负电压，肖特基势垒变成反向极化，有利于电子在下层的移动。因此，为了使器件处于关断状态，有必要对漏极和源极施加负电压。这种结构的主要缺点是它通常处于开启状态，在通电阶段给设计者带来潜在的问题。然而，d模式结构提供了与传统低压硅MOSFET具有相同栅极特性的重要优势，允许使用已经可用的MOSFET栅极驱动器。
在高功率应用中，使用增强型结构(e模式)。当没有栅极电压施加到电子甘晶体管(如图1的底侧所示)时，晶体管保持关断状态，没有电流流动。该器件由硅晶片制成，在硅晶片上沉积氮化镓异质结，当没有电压施加到栅极时，形成通常处于关断状态的器件。导电通道是通过在高强度氮化镓层上沉积一薄层氮化镓制成的。AlGaN和GaN之间的界面产生应变压电效应，形成高度可移动的二维电子气体(2DEG)。器件的上层由电介质和金属布线保护组成。如此获得的结构允许场效应晶体管通过向栅电极施加正电压而进入导通状态。
图1: GaN耗尽模式和增强模式结构
4.GaN如何在高频下工作？
氮化镓高电子迁移率晶体管在导通电阻和品质因数(FOM)方面都有很好的表现。根据额定电压和电流，品质因数可能比超结场效应晶体管低4到10倍。因此，氮化镓适用于高频操作。使用具有低RDS(开)值的GaN HEMT降低了传导损耗并提高了效率。
5.GaN有体二极管吗？
氮化镓HEMTs没有本征体二极管，因此反向恢复电荷为零。这些器件自然能够反向导通，并根据栅极电压具有不同的特性。在系统层面，反向传导能力可能比传统的IGBTs更具优势，因为不需要反并联二极管。
通过消除反向恢复损耗，氮化镓甚至可以在高开关频率下高效工作。例如，在连续导通模式下的无桥图腾柱功率因数校正(PFC)中，由于反向恢复损耗高，使用超结MOSFETs是不切实际的。如图2所示，通过使用氮化镓晶体管作为高频开关，反向恢复损耗被完全消除，相关的开关损耗显著降低。
图2
6.为什么GaN高击穿场是优势？ 略
7.对于射频应用，GaN的主要优势是什么？
氮化镓的电子迁移率为2000 cm2/Vs，比电子迁移率为1500 cm2/Vs的硅高得多。因此，氮化镓晶体中的电子移动速度比硅快30%以上。这一突出的特性使氮化镓在射频应用中具有重要优势，因为它可以处理比硅更高的开关频率。
8.GaN热导率低是个问题吗？
氮化镓的热导率比硅低(1.3 W/cmK对1.5 W/cmK)。然而，氮化镓的高效率有助于降低电路产生的热负载，这意味着它将在比硅更冷的温度下工作。这提供了更好的热管理，并避免了对外部散热器的需求。
9.GaN晶体管的dv/dt要求是什么？
与硅相比，氮化镓支持更快的开关速率，因此需要更高的压摆率(100 V/ns或更高的dV/dt)。这有助于大幅降低开关损耗。
10.关闭氮化镓晶体管需要负电压吗？ 略