氮化鎵和碳化硅的結構和性能有何不同

作為第三代功率半導體的絕世雙胞胎，氮化鎵MOS管和碳化硅MOS管日益受到業界特別是電氣工程師的關注。電氣工程師之所以如此關注這兩種功率半導體，是因為它們的材料與傳統的硅材料相比具有許多優點。
氮化鎵和碳化硅材料較大的禁帶寬度和較高的臨界場強，使得基于這兩種材料的功率半導體具有耐壓高、導通電阻低、寄生參數小等優良特性。
應用于開關電源領域時，具有損耗小、工作頻率高、可靠性高等優點，可大大提高開關電源的效率、功率密度和可靠性。
由于這些優異的特性，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET正越來越多地應用于工業領域，并將在更大范圍內得到應用。

氮化鎵MOS管的結構和特性
與硅制成的功率半導體不同，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形成的二維電子氣（2DEG）導電。由于二維電子氣只導電與高濃度的電子，不存在硅MOSFET的少數載流子復合（即體二極管反向恢復）的問題。
這與傳統的常閉MOSFET或IGBT電源開關完全不同，后者很難用于工業應用，尤其是開關電源領域。
為了應對這一問題，業界通常有兩種解決方案。一種是采用共源共柵結構，另一種是在柵極上加入P型氮化鎵，形成增強型（常閉）晶體管。
氮化鎵該級聯結構的結構是耗盡型氮化鎵與低壓硅MOSFET級聯而成。這種結構的優點是，它的驅動與傳統的硅MOSFET完全相同（因為它是由然而，這種結構也有重大缺點。首先，硅MOSFET有體二極管，當氮化鎵反向傳導電流時，存在體二極管的反向恢復問題。

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誤地接通和斷開的可能性。
最后，由于兩個功率器件級聯在一起，進一步降低整個氮化鎵器件的導通電阻的可能性受到限制。

結構的碳化硅MOSFET
常見的平面碳化硅MOS管的結構。為了降低溝道電阻，這種結構通常設計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險。
KeepTops的碳化硅MOSFET產品CoolSiC采用了不同的柵極結構，這種結構被稱為溝槽碳化硅MOSFET。采用這種結構后，碳化硅MOSFET的溝道電阻不再與柵極氧化層有很強的相關性，因此在保證較高的柵極可靠性和可行性的同時，導通電阻仍然可以極低。
氮化鎵和碳化硅MOSFET的應用推薦
(1) 由于某些原因，所應用的系統必須在超過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) 所應用的系統從輕負載到半負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) 應用系統的最高環境溫度高，或難以散熱，或要求在滿負荷時有極高的效率。碳化硅MOSFET是首選，氮化鎵晶體管是第二選擇。
(4) 所應用的系統存在較大的噪聲干擾，尤其是門極驅動干擾。碳化硅MOSFET是第一選擇，氮化鎵晶體管是第二選擇。
(5) 應用的系統要求功率開關具有較大的短路能力，碳化硅MOSFET是首選。
(6) 對于其他無特殊要求的應用系統，根據散熱方式、功率密度以及設計者對兩者的熟悉程度等因素，確定選用哪種產品。

審核編輯 黃宇