發布日期：2022-10-09 點擊率：122
【導讀】30年前硅功率MOSFET的出現使市場快速接受開關電源，硅功率MOSFET成為很多應用的必選功率器件。近些年來，MOSFET不可避免地進入到性能瓶頸期；然而與此同時，增強型GaN HEMT器件在開關性能和整個器件帶寬有突破性改善，迅速占領市場。硅功率MOSFET在電源轉換領域的發展已經走到盡頭了嗎？
30年前硅功率MOSFET的出現使市場快速接受開關電源，硅功率MOSFET成為很多應用的必選功率器件。近些年來，MOSFET不可避免地進入到性能 瓶頸期；然而與此同時，增強型GaN HEMT器件在開關性能和整個器件帶寬有突破性改善，迅速占領市場。硅功率MOSFET在電源轉換領域的發展已經走到盡頭了嗎？
擁有30年發展史的硅功率MOSFET
功率MOSFET作為雙極晶體管的替代品最早出現于1976年。與那些少數載流子器件相比，這些多數載流子器件速度更快、更堅固，并且具有更高的電流增益。因此開關型電源轉換技術得以真正商用化。早期臺式電腦的AC/DC開關電源是最早使用功率MOSFET的批量消費產品之一，隨后出現了變速電機驅動、熒光燈、DC/DC轉換器等數千種如今已經深入我們日常生活的其它應用。
國際整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。這種器件具有100V的漏極-源極擊穿電壓和0.1Ω的導通電 阻，樹立了那個時代的基準。由于裸片尺寸超過40mm2，價格高達34美元，因此這種產品沒有立即廣泛地替代傳統的雙極晶體管。
多年來許多制造商持續推出了許多代功率MOSFET產品。30年多來，基準基本上每年都會更新。至寫這篇文章時，100V基準公認為是英飛凌的IPB025N10N3G所保持。與IRF100的4Ω–mm2品質因數(FOM)相比，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。這個值幾乎已經達到硅器件的理論極限。
不過改進仍在持續。例如，CoolMOS器件和IGBT的導通性能已經超過了簡單垂直型多數載流子MOSFET的理論極限。這些創新在相當長一段時間內可能還會繼續，并且會充分利用功率MOSFET的低成本結構和訓練有素的設計師，而這些設計師經過多年實踐后已經學會如何有效發掘電源轉換電路和系統的性能。
開啟GaN新時代
HEMT(高電遷移率晶體管)GaN晶體管最早出現于2004年左右，當時日本的Eudyna公司推出了一種耗盡型射頻晶體管。通過在碳化硅基板上使用GaN，Eudyna公司成功生產出為射頻市場設計的晶體管。HEMT結構基于的是1975年最先由T Mimura et al描述，并且在1994年再次由M. A. Khan et al描述的一種現象，這種現象展示了接近AlGaN和GaN異質結構界面之間接口處異常高的電遷移率。將這種現象應用于碳化硅上生長的氮化鎵，Eudyna公司成功生產出在數兆赫茲頻率范圍內的基準功率增益。2005年，Nitronex公司推出第一種耗盡型射頻HEMT晶體管，這種晶體管利用硅基上生成的GaN(6)晶圓制造，采用的是公司自己的SIGANTIC技術。
隨著另外幾家公司參與市場，GaN射頻晶體管在射頻應用領域繼續闊步前進。但這個市場之外的接受性非常有限，主要原因是器件成本和耗盡型操作的不方便。
圖1：硅基GaN器件具有與橫向型DMOS器件類似的非常簡單結構，可以在標準CMOS代工廠制造。
突破屏障
30年的硅功率MOSFET歷史告訴我們，控制突破性技術的普及率有四大關鍵因素：
1．這種技術能否支持重大的新功能?
2．這種技術是否容易使用?
3．這種技術對用戶來說是否極具成本效益?
4．這種技術是否可靠?
在接下來的章節中我們將根據上述四條準則展開討論能夠替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶體管之現狀。然后我們會進一步了解GaN的近期開發計劃，并預測它們對電源轉換行業的影響。
GaN功率晶體管支持的新功能
增強型GaN HEMT器件(eHEMT)能支持的最大新功能是開關性能和整個器件帶寬的突破性改善(見圖2)。GaN擁有比硅高得多的關鍵電場，因此這種新器件的漏極至源極之間可以承受高得多的電壓，而對導通電阻的負面影響卻很小。
圖2：宜普公司增強型GaN功率晶體管的增益與頻率關系曲線。
在功率MOSFET中，在器件從導通到關斷(或從關斷到導通狀態)所需的器件傳導率和電荷數量之間需要做一個基本的權衡。從這種權衡可以推導出稱為RQ乘積的品質因數。這個指標被定義為器件的導通電阻乘以在正常工作電壓和電流條件下開關器件所必需的向柵極提供的總電荷量。事實表明，這一指標的改善有助于提高高頻DC/DC轉換器的轉換效率。RQ的絕對值一般也反映了實際電路中可以實現的最小脈寬。雖然過去幾年中RQ乘積得到了很大的改善，但硅功率MOSFET的品質因數仍未真正接近市場上已經推出的第一代eHEMT器件。圖3對額定電壓為100V和200V的基準硅器件和GaN器件作了比較。
圖3：100V和200V的基準硅功率MOSFET和GaN的RQ乘積比較
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