增强型 GaN 晶体管的电气特性

【导读】对于使用过功率 MOSFET 的电源系统设计师来说，升级到增强型 GaN 晶体管非常简单。基本操作特性非常相似，但在高效设计中需要考虑一些特性，以便从这种新一代设备中获得利益。

对于使用过功率 MOSFET 的电源系统设计师来说，升级到增强型 GaN 晶体管非常简单。基本操作特性非常相似，但在高效设计中需要考虑一些特性，以便从这种新一代设备中获得利益。

注意这些电气特性

每个半导体的功能都有其限制。这些限制通常在器件数据表中突出显示，并作为设计人员如何创建不存在隐藏质量或可靠性问题的设计的指南。增强型 GaN 晶体管（例如 Efficient Power Conversion Corporation (EPC) 的 eGaN FET）具有与商用功率 MOSFET 类似的额定值（允许栅极电压除外）。VGS（施加在栅极和源极之间的电压）正方向为 6 V，负方向为 5 V。与功率 MOSFET 相比，这些值相对较低，设计人员需要确保其布局不会出现导致栅极电压超出这些限制的过冲。一般来说，

典型功率 MOSFET 的阈值电压 (VGS(TH)) 范围为 2 – 4 V。对于 eGaN FET，VGS(TH) 的典型值为 1.4 V。然而，与功率 MOSFET 不同的是，该阈值如图 1 所示，电压对温度相对不敏感。这意味着 eGaN FET 系统的抗噪能力不会像具有更高启动 VGS(TH) 的功率 MOSFET 那样随温度而降低。

导通电阻 (RDS(ON) ) 是当从栅极到源极施加 5V 电压时 eGaN FET 的电阻。RDS(ON) 将随所施加的栅极电压和器件的结温而变化。与硅相比，eGaN 技术的另一个优势是 RDS(ON) 随温度增加的幅度较小，如图 2 所示。而硅在 25°C 至 100°C 之间的 RDS(ON) 增加约 70%，而 eGaN FET显示约 50% 的增长。假设在 25°C 时初始 RDS(ON) 相同，这意味着在典型 100°C 结温下 RDS(ON) 大约降低 15%。

有一个反向二极管

与功率 MOSFET 一样，增强型 GaN 晶体管具有反向导电的能力。然而，对于 GaN 器件，物理机制有所不同。在硅功率 MOSFET 中，FET 中集成了一个 pn 二极管，并通过将少数载流子注入漏极区域来导电。该电荷在漏极区域 (QRR) 中存储数十纳秒 (tRR)，并在二极管关闭时以热量形式消散。当您想要快速切换时，这是一个显着的缺点。在增强型GaN晶体管中，当栅极和漏极之间存在正电压时，FET电子沟道导通，因此会发生反向导通。当电压移除且没有任何存储电荷消散时，通道立即关闭（tRR=0，QRR=0）。然而，存在一个可抵消的缺点，即器件上的源极-漏极压降高于同类功率 MOSFET（见图 3）。为了限度地减少这种较高 Vsd 压降的影响并获得 eGaN FET 的性能，有必要将死区时间保持在短水平，足以避免交叉导通。

一大优势——极低的电容和电荷

FET 的电容是决定器件从导通状态转换到关断状态或从关断状态转换到导通状态期间能量损失的因素。如果对施加到同一端子的一定电压范围内的两个端子之间的电容进行积分，您就可以获得为电容器充电所需的电荷量“Q”。由于电流乘以时间等于电荷，因此通常可以非常方便地查看所需的电荷量来确定改变 eGaN FET 中各个端子之间的电压的时间。图 4 显示了栅极电荷量 QG，必须提供该电荷量才能将栅极到源极的电压增加到所需电压。在此图中，对 100 V、5.6 mΩ（典型）eGaN FET 和 80 V、4.7 mΩ（典型）功率 MOSFET 进行了比较。大约需要 1/4 的电荷才能完全增强 eGaN FET。这意味着更高的开关速度和更低的开关功率损耗。

品质因数 (FOM)

为了有效比较功率转换电路中功率 MOSFET 和增强型 GaN 晶体管的潜在性能，需要首先定义一些品质因数。

MOSFET 制造商使用 FOM 来展示各代改进并将其产品与其他竞争器件进行比较，该 FOM 是给定器件的栅极电荷、QG 和 RDS(ON) 的乘积。其如此有用的原因在于，无论芯片尺寸如何，对于给定的技术或设备“一代”来说，该 FOM 几乎是恒定的。该 FOM 与器件性能相关，可用于预测改进技术带来的功率损耗改善情况，但当器件更多地用作开关元件而非导电元件时，它对差异不太敏感。因此，我们将讨论两种不同的 FOM。个是传统的 FOM。我们将其称为“整流器 FOM”，因为当 FET 用作整流器元件（例如降压转换器的下部晶体管）时，它适用。我们将第二个 FOM 称为“开关 FOM”，因为它地描述了主要用作开关元件的器件的相对性能，例如经典降压转换器中的上部晶体管。在这两种 FOM 中，开关性能在“硬开关”转换器电路中更为重要。

图 5 绘制了 eGaN FET 以及各种等效硅 MOSFET 的 RDS(ON) 与 QGD 的关系。我们可以看到，基于开关 FOM，eGaN FET 比任何等效额定电压硅器件具有明显的优势。以下是一些一般性观察：

40 V eGaN FET 与 25 V 横向硅器件相当。
100 V eGaN FET 与 40 V 垂直硅器件相当。
200 V eGaN FET 与 100 V 垂直硅器件相当

整流器 FOM 如图 6 所示，并绘制了 eGaN FET 以及不同等效硅 MOSFET 的 RDS(ON) 与 QG 的关系图。由此我们可以得出几个结论：

40 V eGaN FET 可与的 25 V 横向硅器件相媲美。
100 V eGaN FET 与 25 V 垂直硅器件相当
200 V eGaN FET 与 40 V 垂直硅器件相当

包装

现在让我们看一下 eGaN FET 和的 MOSFET 之间与封装相关的比较。

半导体器件的封装可提高坚固性和易于操作性。然而，与裸半导体芯片相比，封装会降低性能，表现为导通电阻增加、电感增加、尺寸增加和热性能降低。氮化镓具有自隔离性，这意味着它可以保护自身免受环境影响，因为硅片顶部的活性 GaN 元件实际上封装在厚厚的绝缘玻璃中。GaN 的这一特性使得 EPC 的 eGaN FET 可以采用芯片级 LGA 格式进行封装，如图 7 所示。采用这种封装，eGaN FET 具有所有功率封装中的占位面积、的封装电阻、的封装电感以及的固有封装导热率在市场上。

概括

在本专栏中，我们讨论了增强型 GaN 晶体管的基本电气和机械特性，并表明它们与当前的硅功率 MOSFET 相比具有许多明显的优势。自三十多年前推出以来，硅功率 MOSFET 已经取得了长足的进步，因此可以合理地假设，基本 eGaN 功率晶体管结构和几何形状的未来优化将在未来几年显示出类似的改进。

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