解锁 GaN HEMT：独特结构、卓越性能及应用场景大揭秘
解锁 GaN HEMT：独特结构、卓越性能及应用场景大揭秘
在电子器件的世界里，新型材料和器件不断涌现，为各个领域的技术革新注入强大动力。氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）与主流 SiC MOSFET作为其中备受瞩目的存在，成为了许多想要深入了解开关管器件选型的人绕不开的关键话题。而基于氮化镓材料的GaN功率器件，尤其是 GaN HEMT，凭借着一系列独特的物理和电气特性，在高频、高功率和高温应用领域大放异彩。今天，就让我们全方位地深入探索主流 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 产品的特点，特别是聚焦于 GaN HEMT 的奥秘。
氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料，拥有众多优异的特性。它具有约 3.4 电子伏特的宽带隙，这一特性使其能够在紫外光范围内工作，并且在高温、高频和高功率的电子器件中表现卓越。其高电子迁移率在特定条件下可达 2000 cm²/Vs，有助于实现高效率的功率开关和射频功率放大器。同时，氮化镓的热导率为 1.3W/cm - K，有利于大功率工作时的散热。此外，它在室温下不溶于水、酸和碱，化学稳定性良好，而且质地坚硬，机械稳定性也十分出色。
基于氮化镓材料的 GaN HEMT，在原理和结构上都有着独特之处。在探讨其原理时，我们不禁会与性能同样出色的 SiC MOSFET 作比较。SiC MOSFET 虽然在耐温、耐压、导通电阻和支持高频等方面表现优异，但它的电子迁移率比硅低，与 GaN 相比更是差距明显，这就限制了其极限开关频率，在射频通信等领域难以满足需求。而 GaN HEMT 则凭借 GaN/AIGaN 异质结的高电子迁移率，在高频开关领域崭露头角。
从结构上看，AlGaN/GaN 异质结形成的异质结场效应晶体管中，存在一层高迁移率电子 —— 二维电子气 2DEG，它在功率器件漏极和源极之间形成通道。GaN HEMT 分为常开型（耗尽型）和常闭型（增强型），常开型在栅源间不加电压时开通，加负压时截止，但因其容易过冲，在电路中很少使用；常闭型在栅源间不加电压时闭合，加正压时开通，应用更为广泛。二者的区别在于栅极所用是自发极化板还是压电极化板。
二维电子气的形成过程较为复杂。在 AlGaN 材料外延生长时，原子有序排列，与 GaN 形成异质结后，界面处产生晶格失配和自发极化效应，形成内置电场。随着 AlGaN 层厚度增加，电场增强，原子电离释放电子，这些电子以及原本存在的自由电子和负电荷表面态在电场作用下聚集在异质结界面靠近 GaN 一侧，形成二维电子气。当二维电子气浓度增加到一定程度，会对内置电场产生屏蔽作用，最终系统达到动态平衡，确保二维电子气稳定存在。相比之下，SiC 和 Si 的异质结由于自发极化效应弱，晶格失配和极化效应不足以诱导二维电子气形成，所以无法形成高电子迁移率晶体管 HEMT，也难以在高频领域替代 GaN。
GaN HEMT 的结构特性使其具备一系列优势。它的导通电阻 Rdson 更小，因为借助二维电子气导电，电子运动阻碍小。输出电容 Cds 更小，开关过程中电荷存储和释放速度快，提高了开关频率，减小了开关损耗。栅极电容 Cgs 也更小，栅极驱动所需电荷量减少，加快了开关速度，提升了系统整体效率。而且，GaN HEMT 没有反向恢复电荷，不存在 PN 结结构和体二极管特性，这使得它在信号传递过程中能有效减小信号失真，特别适用于对信号精确度要求高、高频传输的领域，如射频雷达。
不过，GaN HEMT 也并非完美无缺。它的耐压能力不如 SiC MOSFET，一方面是由于其结构中没有长漂移区，反向电场较小，主要依靠临界电场强度和带隙能量耐压；另一方面，其结构缺陷较多。此外，GaN 的热导率比 SiC 低，加上高集成度的特点，对散热提出了很高的要求，所以通常很少在高电压和高温环境下工作。
在实际应用中，增强型 GaN HEMT 工作模式与 MOS 管类似，工艺简单且性能良好，但它的栅极完全开通电压和击穿电压相差仅 1V，安全裕度过小，容易引发故障。因此，人们将目光转向耗尽型 GaN HEMT。然而，耗尽型 GaN HEMT 在加电和异常工作条件下为常开型，需要给栅极加负压，操作较为麻烦。为解决这一问题，业内采用将耗尽型 GaN HEMT 与共源共栅 d - GaN 结构中的低压硅 MOS 串联连接的方式，通过控制 MOS 的源极电压来控制 GaN HEMT 的通断。但这种连接方式也带来了一些问题，比如引入了原本不存在的反向恢复二极管，寄生电容和电感不平衡会导致延迟和震荡，甚至可能使 Si MOSFET 在开关期间出现雪崩击穿，还会增加导通电阻。
GaN HEMT 凭借其在高频、高功率密度和快速开关方面的优势，在 5G 基站、射频放大器和快速开关电源转换器等领域有着广泛应用。其中，e - GaN 适用于低压范围，而串一个硅 MOS 的 d - GaN（Cascode d - GaN）则在较高电压下工作。
随着科技的不断进步，GaN HEMT 的应用前景将更加广阔。尽管它目前还存在一些局限性，但随着技术的发展和创新，这些问题有望逐步得到解决。未来，GaN HEMT 可能会在更多领域发挥关键作用，推动电子技术向更高水平迈进。无论是在通信、能源还是汽车电子等领域，我们都有理由期待 GaN HEMT 带来更多的惊喜和变革。