探索寬帶隙WBG半導體的基礎知識和應用

GaN是氮化鎵的化學名稱縮寫，屬于第三代半導體，通常被稱為「寬帶隙」半導體（WBG），因為它需要相對較高的能量(與Si相比) 才能將原子的電子從價帶(如絕緣體)擊至導帶(如導體)。本文將探索這種「寬帶隙」（WBG）半導體的基礎知識和應用。

若涉及到電子控制開關時，您需要一種材料在關閉時具有高擊穿電場（例如阻斷電壓），開啟時導電通道具有極低電阻，這就是為什么WBG材料能夠成為出色的半導體器件。您可能聽說過其他WBG半導體如碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs) 或氮化鋁(AlN)。

圖 1 –寬帶隙材料與硅的性能指標基準雷達圖

GaN還有一些有趣的特性，讓它在各方面更具吸引力。它的電子遷移率和熔點分別實現了高電流通道和更高的溫度（或在相同或更低的溫度下提高可靠性）。

制成晶體管時與硅基金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)相比，該器件具有更低的柵極電荷和等效通態溝道電阻(RDS_ON)。

雖然GaN的開關類型很多，但我們將重點放在有高電子遷移率的GaN晶體管（以 HEMT 為例，其結構如圖 2 所示）。柵極激活后，電流非?？斓赝ㄟ^GaN淺層，亦稱為二維電子氣（2DEG），如圖中的虛線所示。

圖 2 – 硅基氮化鎵（GaN-on-Si）橫向晶體管之橫截面

雖然GaN 在發光二極管(LED) 和 RF應用中已有數十年，但在開關應用中使用是十年前左右才開始的，例如在開關電源和開關逆變器已變得越來越常見。

上述吸引人的特性使采用 GaN 開關設計的電源能夠解決許多尺寸、重量和功率因數（也稱為 SWaP 因數）的問題，而這往往是幾乎所有電源解決方案的關鍵驅動因素。

較低的 RDS_ON 和柵極轉換時間有助于分別降低傳導損耗和開關損耗，從而提高電源系統的整體效率。這些特性還提供了額外的特性，也就是能夠以較低的占空比 (D) 控制開關以實現更高的直接轉換比，而這對MOSFET 來說是不切實際的（例如，直接轉換 48V 到 1V）。

當速度過快時

WBG開關速度可以很快，而且是真的很快。其實它們與我們在教科書中首次了解的那種理想開關非常接近，例如零轉換時間。

轉換能那么快是因為 GaN 等材料有極低的柵極電荷和極高的電子遷移率。即使在一些相當高功率的應用中，開啟和關閉轉換也可以在納秒之內發生（1 ns = 10-9 秒）。

轉換速度如此之快，以至于大多數試圖在電路板上測量轉換速率的工程師可能甚至沒有合適帶寬(BW)的示波器可用來充分捕獲這個信號。

如果需要正確地測量和表征一個具有納秒級躍遷的信號，那么范圍BW需要在GHz范圍內。這類示波器通常非常昂貴，而且專門用于高速數據分析而不是功率級的分析。

圖 3 – EPC2100 開關節點波形，VIN = 12 V 至 VOUT = 1.2 V、IOUT = 25 A、1 MHz，顯示上升/下降時間

極快的開關節點躍遷率的負面影響是電磁干擾(EMI)和過沖/振蕩事件的增加，這兩種情況都是由于不必要的能量轉儲，或更具體地說，高能躍遷電流不適當地流向地面，進入寄生電感或等效串聯電感(ESL)。

由于本文的討論范圍有限，我們只能稍微觸碰到這些議題，但人們應該尋找更多的資料并以嚴謹的態度深入研究這些議題。

我們要非常清楚地指出，在幾乎所有可比較的應用中（在本討論的范圍內我們至少應該限于非 RF 開關電源應用），WBG組件無法直接取代同時代的 Si。

與 Si FET 相比，GaN HEMT 大幅降低開關能量和高電子遷移率可以實現納秒范圍內的躍遷，但是這些極端的電流躍遷會從以前的良性寄生環路電感到現在導致災難性的電壓過沖，如下方計算所示。

方程1 - 顯示過沖電壓、寄生電感和電流變化率之間的關系。

對Si 設計的電流轉換速率 (di/dt)來說僅幾個納亨的寄生電感可能可以忽略不計，但對 GaN 設計卻是災難性的。

圖 4 –升壓 dc/dc 拓撲的電流（紅色/黃色/綠色）及寄生電感

上面的方程式精確地描述如此小的 ESL，即使只來自于組件封裝，是如何對您的設計產生災難性的影響，這甚至是在人們花大量時間和精力來設計出一個非常干凈且緊湊的布局以盡可能地包含這些電流之前。

不過請不要誤會，恰當的布局技術和GaN 電路的最佳實踐是您對抗 EMI 和預防轉換器嚴重故障的最佳方法（不受控制的振蕩會導致電氣過應力或EOS 而最終自毀）。

圖 5 –以通用組件封裝和特性計算寄生電感引起的電壓過沖

柵極驅動的挑戰

WBG柵極閾值電壓 (Vth) 往往低于對應的 Si 并且具有更低的絕對最高電壓水平，因此若要在柵極驅動上發揮GaN 的潛力、穩健地設計和實施此類解決方案的話將經過相當艱難的學習過程。

市場上有各種各樣的解決方案來應對這些挑戰，從集成柵極驅動器（甚至全功率級）到完全合格的電源模塊。

由于高轉換率 (dV/dt) 作用在開關的柵源電容（又名為米勒電容或 CGS），柵源電容可以向柵漏電容 (CGD) 施加電位而觸發不必要的導通而有擊穿或誤導通的風險，因此必須更加注意柵極驅動電路。

如果是在同步設備導通的情況下發生這種情況，就有可能發生擊穿（也稱為交叉傳導）。最好的情況是降低有效效率，而最壞的情況則是導致 DC/DC 轉換器故障。

不同種類的 GaN 可能具有不同的柵極驅動要求，這可能是使用 GaN 組件進行設計時面臨的最大挑戰之一。有些可以直接驅動并且是常關器件，有些使用所謂的共源共柵配置，其中使用增強型（常閉型）MOSFET來驅動GaN 器件的耗盡型（常開型）柵極。有些可能需要負或偏置柵極驅動電壓。因此，即使是由自己設計 DC/DC 解決方案，獲得合格的 GaN 驅動器是非常有利的。

豐富的資源

外面有大量資源可以用來學習如何獲取和實施 GaN 解決方案，有些資源已在前文提供。如果您不熟悉 WBG 和 GaN 解決方案，請充分利用它們來協助您學習。您需要經過好幾代的設計和測試才能真正做出穩健的 GaN 設計，尤其如果您是剛接觸該領域的工程師。

最后再一次提醒，GaN 不是 Si 的直接替代品，因此不應朝這個方向研究！早期人們在研究如何在電源中使用 GaN 時就已學到了教訓甚至讓他們質疑WBG的可行性，因為當時沒有重視謹慎布局實踐和穩健柵極驅動設計的重要性。

審核編輯：劉清