如何使用氮化鎵器件：引進(jìn)氮化鎵晶體管技術(shù)

圖一：硅、碳化硅及氮化鎵器件的理論導(dǎo)通電阻與阻擋電壓能力的關(guān)系的比較。

圖二：在一個(gè)12 V 轉(zhuǎn)1.2 V的降壓轉(zhuǎn)換器，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管與硅功率MOSFET器件的硬開(kāi)關(guān)開(kāi)啟速度的比較。 可見(jiàn)三個(gè)器件均具備相同導(dǎo)通電阻，但具有不同的擊穿電壓。

氮化鎵器件的橫向結(jié)構(gòu)有助它的flip-chip封裝，它是一種高性能的封裝，因?yàn)榫咦畹妥杩辜岸俗与姼?。此外，氮化鎵功率器件在晶片尺寸方面比硅器件?yōu)越，因?yàn)樗捎酶咝Х庋b，使它的尺寸比現(xiàn)今器件小很多。

表二：功率MOSFET器件的各種封裝與氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵格陣列封裝的比較。

表二比較了氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管與具有相同導(dǎo)通電阻的MOSFET器件的尺寸。氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于具有高效晶片級(jí)柵格陣列封裝及更小的晶片尺寸，大大縮小了器件在印刷電路板上的總體占位區(qū)域。這證明氮化鎵器件再次比MOSFET器件優(yōu)勝!

氮化鎵晶體管建構(gòu)于一個(gè)比較新的技術(shù)，因而它的制造成本比等效硅器件為高。但這是暫時(shí)的情況，正如在我們的教科書(shū)(氮化鎵晶體管-高效功率轉(zhuǎn)換器件)第十四章所述，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以逾越這個(gè)障礙，實(shí)現(xiàn)比等效功率MOSFET或IGBT器件更低的成本。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。與任何功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣，氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)具有柵極、源極和漏極電極。源極和漏極電極穿過(guò)AlGaN 頂層與下面的二維電子氣形成歐姆接觸，并在源極和漏極之間形成短路，直至二維電子氣區(qū)域內(nèi)的電子耗盡，以及半絕緣的氮化鎵晶體可以阻隔電流為止。為了耗盡二維電子氣的電子，我們需要將柵極電極放置在AlGaN 層的上面。對(duì)于很多早期的氮化鎵晶體管來(lái)說(shuō)，這個(gè)柵極電極形成為一個(gè)與頂部的表面接觸的肖特基接觸點(diǎn)。在這個(gè)接觸點(diǎn)施加負(fù)電壓，肖特基勢(shì)壘將變成反向偏置，從而使下面的電子耗盡。因此，為了把器件關(guān)斷，需要施加相對(duì)于漏極和源極電極的負(fù)電壓。這種晶體管名為耗盡型或D 型異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)。

圖三：典型的AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，具柵極、源極和漏極三個(gè)金屬半導(dǎo)體接觸點(diǎn)。