从原理到实例：GaN为何值得期待？功率半导体是电子装置中电能

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要指能够耐受高电压或承受大电流的半导体分立器件，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。在功率半导体的发展路径中，功率半导体从结构、制程、技术、工艺、集成化、材料等各方面进行了全面提升，其演进的主要方向为更高的功率密度，更小的体积，更低的成本及损耗。特别是材料迭代方面，从硅Si材料逐渐向氮化镓（GaN）等宽禁带材料升级，使得功率器件体积和性能均有显著提升。
那么什么是第三代半导体GaN呢？它是由氮和镓组成的一种半导体材料，由于其禁带宽度大于2.2eV,因此又被称为宽禁带半导体材料。

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表一GaN与Si的关键特性对比
表一对比了GaN和Si的几种物理参数，不可否认， GaN展现出了更好的性能优势，主要分为以下四点：
1、禁带宽度大：宽禁带使材料能够承受更高温度和更大的电场强度。器件在工作温度上升时，本征激发的载流子浓度也不会很高，因此能够应用到更高温度的特殊环境下。
2、高击穿电场：GaN本身的击穿场强为3.3E+06,约是Si的11倍，同样耐压条件下， GaN耗尽区展宽长度可以缩减至Si的0.1倍，大大降低了漂移区电阻率，以获得更低的Ron和更高的功率性能。
3、高电子饱和漂移速率：在半导体器件工作过程中，多数是利用电子作为载流子实现电流的传输。高电子饱和漂移速率可以保证半导体器件工作在高电场材料仍然能保持高的迁移率，进而有大的电流密度，这是器件获得大的功率输出密度的关键所在。这也是GaN材料最明显优势所在。
可以看到，表格中GaN的电子迁移率并不高，为什么称之为高电子迁移率晶体管呢？原因在于GaN&AlGaN因为材料特性在界面感应形成的二维电子气（2DEG）,2DEG在2-4nm薄薄的一层中存在且被约束在很小的范围，这种限域性使得电子迁移率增加到1500~2000cm2/（V·s）目前技术已经使电子迁移率达到2200cm2/（V·s）。
4、良好的耐温特性：可以看到， GaN和Si的热导率基本差异不大，但是GaN可以比Si能拥有更高的结温。因此，同时良好的热导率加上更高的热耐受力共同提升了器件的使用寿命和可靠性。
GaN器件优越的性能也其器件结构有极大的关系。目前，产业化的GaN器件在走的两种路线是P-GaN方式的增强型器件和共源共栅两种结构，两种结构市场上声音不同，大家仁者见仁。

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图1主流GaN的两种结构
由于GaN器件对寄生参数极其敏感，因此相较于传统的Si基半导体器件的驱动电路， GaN的驱动要求更为严苛，因此对其驱动电路的研究很有意义。在实际的高压功率GaN器件应用过程中，我们用GaN器件和当前主流的SJMOSFET在开关特性和动态特性上做了一个对比，更详细的了解其差异所在。

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表二GaN器件DC参数
从上图GaN晶体管的DC参数可以看到，其在直流参数上，没有反向二极管（0ReverseRecovery），主要原因在于GaN晶体管没有SJMOSFET的寄生PN结。此外，两者在直流参数以及Vth等也有着不小的区别，同规格情况下， GaN晶体管比SJMOS有着更小的饱和电流以及更高的BV值，这也是受限于其芯片面积和无雪崩能力的特殊特性；同时更低的驱动电压和栅极电荷Qg ，造就了其高频低损的优良开关特性。