如何使用氮化镓：增强型氮化镓晶体管的电学特性

对于一直使用功率MOSFET器件设计产品的功率系统工程师来说，使用更高效的增强型氮化镓晶体管并不困难。虽然两种器件的基本工作特性非常相似，如果想发挥这种新世代器件的最大优势，我们还需考虑它的几个特性以实现高效设计。

留意这些电学特性

每个半导体的性能都有其极限值，器件的数据手册里通常清楚地列明这些极限值，以指导设计工程师如何创建各种设计而不会于质量或可靠性方面发生任何潜在问题。增强型氮化镓晶体管如宜普公司的

eGaN® FET与商用功率MOSFET器件具有相同的最高额定值，其最大可容栅极电压除外。在栅极与源极之间施加的最大可容栅极电压(VGS)，其在正方向的最大值为6 V， 而在反方向的最大值为5 V。与功率MOSFET 器件相比，这些值相对地较低，设计师需要确保他们所设计的版图不会使栅极电压超出这些极限值而形成过冲的现象。

一般来说由于场效应晶体管在大约4 V时可完全得以增强，以上的要求并不会构成很大的问题。我们写了多篇技术文章(Power Electronics杂志：eGaN FET与功率硅器件比拼文章: Drivers, Layout; Impact of Parasitics on Performance 及Optimal PCB Layout)来帮助设计工程师如何避免受这个限制影响，但最简单的解决方案是使用已推出市场、保护场效应晶体管栅极的商用栅极驱动器集成电路，同时利用非常快速的开关时间。

图1：EPC2010 器件的归一化阈值电压与温度的关系– 可看到该器件在通常的工作温度范围内只有3% 的变化。

导通电阻R DS(ON))是指氮化镓场效应晶体管在栅极至源极之间施加5 V 电压的电阻值。导通电阻值将随所施加的栅极电压及器件的温度而变化。与硅技术相比，氮化镓技术的另一个优势是它的导通电阻随温度而增加的幅

度较小，如图2所示。对于硅器件来说，从25 ℃至100 ℃时，其R DS(ON))的增幅超过70%，而氮化镓场效应晶体管的增幅只有约50%。假设在25 ℃时这两个技术具有相同的初始导通电阻值，与硅器件相比，氮化镓晶体管在典型的100 ℃结温时的导通电阻值将大约低15%。[!--empirenews.page--]

图2：EPC2010 器件与额定电压为200V的硅MOSFET相比，归一化R DS(ON))电阻值与温度的关系的比较。

反向二极体

与功率MOSFET器件相同，增强型氮化镓晶体管可在反方向导通。不过后者的物理机理不同。一个硅功率MOSFET的p-n二极体与场效应晶体管融合，通过把少数载流子注入漏极区域而得以导通。这个电荷被储存于漏极区域(QRR)达数十纳秒(tRR)后将在二极体关闭时变为热损耗。如果要求快速开关， 这是一个重大缺点。当栅极与漏极之间的电极具正向电压，增强型氮化镓场效应晶体管的电子通道会因开启而出现反向传导。当除去电压，没有储存电荷损耗(tRR=0, QRR=0)时，通道会立即关闭。坏处是器件在源极与漏极之间的压降会比一个等效功率MOSFET器件为大(见图3)。要把这个比较更高的压降VSD降至最低，以及要发挥氮化镓场效应晶体管的最优性能，必需保持最短促死区时间，以避免交叉传导。

图3: eGaN FET与功率MOSFET器件的体二极管正向压降, 与源极至漏极电流和温度的关系的比较。

极大优势：非常低电容及电荷

一个场效应晶体管的电容是决定器件从开启至关闭或者从关闭至开启的状态下，在电源转换过程中能量损失的最大因素。在施加电压范围内积分两个端子之间的电容，可以取得电荷值(Q)，这是给电容充电

所消耗的电量。

由于电流乘以时间等于电荷，因此查看改变氮化镓场效应晶体管各个端子间的电压所需的电荷量， 很多时候会比较方便。图4显示了栅极电荷量(QG)来提供栅极至源极的电压，以达至所需的电压值。从这个图表可以看出，具100 V、5.6 mΩ典型值的eGaN FET与具80 V、4.7 mΩ 典型值的功率MOSFET的比较。只需1/4电荷可以把eGaN FET增强。这可以演绎为更快速开关及更低开关功耗。

图4: EPC2001 器件与英飞凌公司BSC057N08NS器件的栅极电荷与栅极电压的关系的比较。[!--empirenews.page--]

品质因数

为了在电源转换电路中有效地比较增强型氮化镓场效应晶体管和功率MOSFET 的性能潜力，我们首先看看各种品质因数的定义。

MOSFET 器件的制造商常用一个给定的栅极电荷(QG)与导通电阻(RDS(ON))的乘积的品质因数，用来标示器件经过新一代改进及与竞争产品相比。这种品质因数非常有用，因为不管晶片的尺寸多大，这种品质因数对特定的技术或“某代”器件来说几乎是常数。此外，它与器件的性能有关，可用来预测新技术于改进后的功耗，但当器件用作开关元件而不是导通元件时，这种品质因数的差异并不明显。因此我们将讨论两种不同的品质因数。第一个是传统的品质因数。我们把它称为“整流器品质因数”，因为这种品质因数最适合用于当场效应晶体管被用作整流器时，例如降压转换器的低侧晶体管。我们称第二种品质因数为“开关品质因数”，因为它最适合描述常用作开关元件的性能，例如标准降压转换器的上侧晶体管。在这两种品质因数中，开关性能在‘硬开关’转换器的电路中比较重要。

图5显示了氮化镓场效应晶体管和各种等效硅MOSFET 器件的RDS(ON) 与QGD 的关系。从图中可以看出，基于开关品质因数，氮化镓场效应晶体管与任何具有等效额定电压的硅器件相比均具有明显优势。以下是一些观察所得的结果：

• 40V 的氮化镓场效应晶体管相当于25 V 的横向硅器件

• 100V 的氮化镓场效应晶体管相当于40 V 的垂直硅器件

• 200V 的氮化镓场效应晶体管相当于100 V 的垂直硅器件

图5: 氮化镓场效应晶体管和各种等效硅MOSFET 器件的RDS(ON) 与QGD 的关系。

图6显示整流器品质因数，并绘出氮化镓场效应晶体管和各种等效硅MOSFET器件的RDS(ON) 与QG 的关系。由此我们可以得出以下的结论：

• 40V 的氮化镓场效应晶体管相当于最好的25 V 横向硅器件

• 100V 的氮化镓场效应晶体管相当于25 V 的垂直硅器件

• 200V 的氮化镓场效应晶体管相当于40 V 的垂直硅器件

最优封装

让我们看看氮化镓场效应晶体管及先进MOSFET在与封装有关方面的比较。

半导体器件一般通过封装来提高其鲁棒性和易用性。然而，与裸露的半导体晶片相比，封装会降低性能：增加导通电阻、增加电感和尺寸，以及降低热性能。

氮化镓是自隔离式的，意谓可在不同环境下保护自己，这是因为硅之上的氮化镓元件被绝缘玻璃厚层包围。这个特性使得宜普公司的eGaN FET可以使用晶片级LGA封装，如图7所示。由于使用这种封装，与市场上任何功率器件的封装相比，eGaN FET的封装具有最小尺寸、最低封装阻抗、最低封装电感及最高内封装热传导性能。

图7：EPC2001氮化镓场效应晶体管的晶片级LGA 封装， 尺寸为大约4mm x 1.6mm。

结论

本章讨论了增强型氮化镓场效应晶体管的基本电学和机械特性，从中可以看到它们与目前最先进的硅功率MOSFET 相比，具有其独特的优势。由于硅功率MOSFET 从三十年前推出至今已经过了很长时间的改进，因此我们有理由相信，未来几年氮化镓功率晶体管的基本结构和几何尺寸的优化将呈现类似的改进历程。