氮化鎵MOS管與碳化硅MOS管的結(jié)構(gòu)、性能差異分析-KIA MOS管

氮化鎵MOS管與碳化硅MOS管的結(jié)構(gòu)、性能差異

作為第三代功率半導(dǎo)體的絕代雙驕，氮化鎵MOS管和碳化硅MOS管日益引起工業(yè)界，特別是電氣工程師的重視。之所以電氣工程師如此重視這兩種功率半導(dǎo)體，是因?yàn)槠洳牧吓c傳統(tǒng)的硅材料相比有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。

氮化鎵和碳化硅材料更大的禁帶寬度，更高的臨界場(chǎng)強(qiáng)使得基于這兩種材料制作的功率半導(dǎo)體具有高耐壓，低導(dǎo)通電阻，寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性。

當(dāng)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升開(kāi)關(guān)電源的效率，功率密度和可靠性等性能。

圖1：硅、碳化硅，氮化鎵，三種材料關(guān)鍵特性對(duì)比

由于具有以上優(yōu)異的特性，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET正越來(lái)越多的被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，且將被更大規(guī)模的應(yīng)用。

氮化鎵MOS管結(jié)構(gòu)及其特性

氮化鎵MOS管的結(jié)構(gòu)

與硅材料的功率半導(dǎo)體不同，氮化鎵晶體管通過(guò)兩種不同禁帶寬度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的壓電效應(yīng)形成的二維電子氣（2DEG）來(lái)導(dǎo)電，如圖4所示。由于二維電子氣只有高濃度電子導(dǎo)電，因此不存在硅MOSFET的少數(shù)載流子復(fù)合（即體二極管反向恢復(fù)）的問(wèn)題。

圖2：氮化鎵導(dǎo)電原理示意圖

圖2所示的基本氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)是一種耗盡模式(depletion-mode)的高電子移動(dòng)率晶體管(HEMT)，這意味著在門(mén)極和源極之間不加任何電壓(VGS=0V)情況下氮化鎵晶體管的漏極和元件之間是導(dǎo)通的，即是常開(kāi)器件。

這與傳統(tǒng)的常閉型MOSFET或者IGBT功率開(kāi)關(guān)都完全不同，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用特別是開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域是非常難以使用的。

為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，業(yè)界通常有兩種解決方案，一是采用級(jí)聯(lián)(cascode)結(jié)構(gòu)，二是采用在門(mén)極增加P型氮化鎵從而形成增強(qiáng)型（常閉）晶體管。兩者結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3：兩種結(jié)構(gòu)的氮化鎵晶體管

級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個(gè)低壓的硅MOSFET級(jí)聯(lián)在一起，該結(jié)構(gòu)的好處是其驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)硅MOSFET的驅(qū)動(dòng)完全相同（因?yàn)轵?qū)動(dòng)的就是一個(gè)硅MOSFET），但是該結(jié)構(gòu)也有很大的缺點(diǎn)，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向?qū)娏鲿r(shí)又存在體二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題。

其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中漏極對(duì)源極出現(xiàn)的振蕩就是氮化鎵源極對(duì)門(mén)極的振蕩，由于此振蕩時(shí)不可避免的，那么就存在氮化鎵晶體管被誤開(kāi)通和關(guān)斷的可能。

最后由于是兩個(gè)功率器件級(jí)聯(lián)在一起，限制了整個(gè)氮化鎵器件的導(dǎo)通電阻的進(jìn)一步減小的可能性。

碳化硅MOSFET的結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的平面型(Planar)碳化硅MOS管的結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了減小通道電阻，這種結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)為很薄的門(mén)極氧化層，由此帶來(lái)在較高的門(mén)極輸入電壓下門(mén)極氧化層的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

英飛凌的碳化硅MOSFET產(chǎn)品CoolSiC采用了不同的門(mén)極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為溝槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其門(mén)極結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用此結(jié)構(gòu)后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門(mén)極氧化層強(qiáng)相關(guān)，那么可以在保證門(mén)極高靠可行性同時(shí)導(dǎo)通電阻仍舊可以做到極低。

圖4：平面型碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖

圖5：CoolSiC溝槽型門(mén)極結(jié)構(gòu)

碳化硅MOSFET的特性

與氮化鎵晶體管類似，碳化硅MOSFET同樣具有導(dǎo)通電阻小，寄生參數(shù)小等特點(diǎn)，另外其體二極管特性也比硅MOSFET大為提升。

圖6是英飛凌碳化硅650V耐壓MOSFETCoolSiC與目前業(yè)界體二極管性能最好的硅材料功率MOSFETCoolMOSCFD7的兩項(xiàng)主要指標(biāo)RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對(duì)比，前一項(xiàng)是衡量體二極管反向恢復(fù)特性的指標(biāo)，后一項(xiàng)是衡量MOSFET輸出電容上存儲(chǔ)的電荷量的指標(biāo)。

這兩項(xiàng)數(shù)值越小，表明反向恢復(fù)特性越好，存儲(chǔ)的電荷越低（軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渲?，半?/span>結(jié)構(gòu)上下功率管所需要的死區(qū)越短）?？梢钥闯?，碳化硅MOSFET相比相近導(dǎo)通電阻的硅MOSFET，反向恢復(fù)電荷只有1/6左右，輸出電容上的電荷只有1/5左右。

因此碳化硅MOSFET特別適合于體二極管會(huì)被硬關(guān)斷的拓?fù)洌ɡ珉娏鬟B續(xù)模式圖騰柱無(wú)橋PFC）及軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌↙LC，移相全橋等）。

碳化硅MOSFET還有一項(xiàng)出眾的特性：短路能力。

相比硅MOSFET短路時(shí)間大大提升，這對(duì)于變頻器等馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用非常重要，圖7給出了英飛凌CoolSiC、CoolMOS及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手短路能力的對(duì)比圖。從圖可知CoolSiC實(shí)現(xiàn)了短路時(shí)間長(zhǎng)，短路電流小等優(yōu)異特性，短路狀態(tài)下的可靠性大大提高。

圖11：碳化硅MOSFET和硅MOSFET的性能對(duì)比

圖12：碳化硅MOSFET短路能力比較

氮化鎵和碳化硅MOSFET應(yīng)用建議

（1）所應(yīng)用系統(tǒng)由于某些原因必須工作于超過(guò)200KHz以上的頻率，首選氮化鎵晶體管，次選碳化硅MOSFET；若工作頻率低于200KHz，兩者皆可使用；

（2）所應(yīng)用系統(tǒng)要求輕載至半載效率極高，首選氮化鎵晶體管，次選碳化硅MOSFET；

（3）所應(yīng)用系統(tǒng)工作最高環(huán)境溫度高，或散熱困難，或滿載要求效率極高，首選碳化硅MOSFET，次選氮化鎵晶體管；

（4）所應(yīng)用系統(tǒng)噪聲干擾較大，特別是門(mén)極驅(qū)動(dòng)干擾較大，首選碳化硅MOSFET，次選氮化鎵晶體管；

（5）所應(yīng)用系統(tǒng)需要功率開(kāi)關(guān)由較大的短路能力，首選碳化硅MOSFET；

（6）對(duì)于其他無(wú)特殊要求的應(yīng)用系統(tǒng)，此時(shí)根據(jù)散熱方式，功率密度，設(shè)計(jì)者對(duì)兩者的熟悉程度等因素來(lái)確定選擇哪種產(chǎn)品。

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