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
信息來源：本站 日期：2021-01-18
作為第三代功率半導體的絕代雙驕，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體，是因為其材料與傳統(tǒng)的硅材料相比有諸多的優(yōu)點，如圖1所示。
氮化鎵和碳化硅材料更大的禁帶寬度，更高的臨界場強使得基于這兩種材料制作的功率半導體具有高耐壓，低導通電阻，寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性。
當應(yīng)用于開關(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，可以大大提升開關(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管的結(jié)構(gòu)
與硅材料的功率半導體不同，氮化鎵晶體管通過兩種不同禁帶寬度（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）來導電，如圖4所示。由于二維電子氣只有高濃度電子導電，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)）的問題。
圖2：氮化鎵導電原理示意圖
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)的高電子移動率晶體管(HEMT)，這意味著在門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通的，即是常開器件。
這與傳統(tǒng)的常閉型MOSFET或者IGBT功率開關(guān)都完全不同，對于工業(yè)應(yīng)用特別是開關(guān)電源領(lǐng)域是非常難以使用的。
為了應(yīng)對這一問題，業(yè)界通常有兩種解決方案，一是采用級聯(lián)(cascode)結(jié)構(gòu)，二是采用在門極增加P型氮化鎵從而形成增強型（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
級聯(lián)結(jié)構(gòu)的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個低壓的硅MOSFET級聯(lián)在一起，該結(jié)構(gòu)的好處是其驅(qū)動與傳統(tǒng)硅MOSFET的驅(qū)動完全相同（因為驅(qū)動的就是一個硅MOSFET），但是該結(jié)構(gòu)也有很大的缺點，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向?qū)娏鲿r又存在體二極管的反向恢復(fù)問題。
其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開通和關(guān)斷過程中漏極對源極出現(xiàn)的振蕩就是氮化鎵源極對門極的振蕩，由于此振蕩時不可避免的，那么就存在氮化鎵晶體管被誤開通和關(guān)斷的可能。
最后由于是兩個功率器件級聯(lián)在一起，限制了整個氮化鎵器件的導通電阻的進一步減小的可能性。
常見的平面型(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)計為很薄的門極氧化層，由此帶來在較高的門極輸入電壓下門極氧化層的可靠性風險。
英飛凌的碳化硅MOSFET產(chǎn)品CoolSiC采用了不同的門極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為溝槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其門極結(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極氧化層強相關(guān)，那么可以在保證門極高靠可行性同時導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溝槽型門極結(jié)構(gòu)
與氮化鎵晶體管類似，碳化硅MOSFET同樣具有導通電阻小，寄生參數(shù)小等特點，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的兩項主要指標RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對比，前一項是衡量體二極管反向恢復(fù)特性的指標，后一項是衡量MOSFET輸出電容上存儲的電荷量的指標。
這兩項數(shù)值越小，表明反向恢復(fù)特性越好，存儲的電荷越低（軟開關(guān)拓撲中，半橋結(jié)構(gòu)上下功率管所需要的死區(qū)越短）。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近導通電阻的硅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被硬關(guān)斷的拓撲（例如電流連續(xù)模式圖騰柱無橋PFC）及軟開關(guān)拓撲（LLC，移相全橋等）。
碳化硅MOSFET還有一項出眾的特性：短路能力。
相比硅MOSFET短路時間大大提升，這對于變頻器等馬達驅(qū)動應(yīng)用非常重要，圖7給出了英飛凌CoolSiC、CoolMOS及競爭對手短路能力的對比圖。從圖可知CoolSiC實現(xiàn)了短路時間長，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的性能對比
圖12：碳化硅MOSFET短路能力比較
（1）所應(yīng)用系統(tǒng)由于某些原因必須工作于超過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，特別是門極驅(qū)動干擾較大，首選碳化硅MOSFET，次選氮化鎵晶體管；
（5）所應(yīng)用系統(tǒng)需要功率開關(guān)由較大的短路能力，首選碳化硅MOSFET；
（6）對于其他無特殊要求的應(yīng)用系統(tǒng)，此時根據(jù)散熱方式，功率密度，設(shè)計者對兩者的熟悉程度等因素來確定選擇哪種產(chǎn)品。
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