物理结构
与传统的基于蓝宝石晶片的氮化镓器件相比，硅基氮化镓器件显著降低了器件制造成本，这为实现氮化镓功率半导体器件的大规模应用的铺平了道路。图 1显示了 GaN 晶体管的典型物理结构，在 AlGaN 层和 GaN 层的边界形成了具有高迁移率的二维电子气 （2DEG）高导电通道。相比于依靠少数载流子（松散地被束缚在硅晶格中）传导的硅晶体管，GaN 晶体管中的 2DEG 沟道表现出更高电子密度和电子迁移率，适用于大电流和大功率的应用。根据栅极结构和材料以及栅极掺杂带来的开通阈值电压的不同，现有技术的 GaN 晶体管主要有两大类：耗尽型 GaN 晶体管和增强型 GaN 晶体管。
图 1 GaN晶体管的物理结构
耗尽型 GaN 晶体管的物理结构如图 2 所示。在正常开关工作状态下，如图 2(a) 所示，由于 GaN 晶体的固有特性和耗尽型栅极材料，栅极偏置电压为零时，耗尽型GaN晶体管处于自然导通状态。而关闭耗尽型 GaN 器件需要在栅极 (G) 和源极 (S) 之间施加负偏置电压VGS。当 VGS 低于 GaN 晶体管的开启阈值 VTH, D (VGS<VTH, D) 时，导电沟道被切断，晶体管关闭，如图 2.2(b) 所示。在此期间，漏源电压（VDS）可以维持非常高的击穿电压。然而，对于耗尽型 GaN 晶体管，需要负栅极驱动电压VGS来关闭晶体管，这使得 GaN 栅极驱动电路的设计变得更加复杂。
图 2 耗尽型 GaN 晶体管 (a) 常开状态，(b) 关断状态
图 3 增强型 GaN 晶体管，(a) 常关状态，(b) 导通状态
为了缓解驱动的问题，科学家发明了增强型 GaN 晶体管，它不需要负栅极电压来关闭晶体管而只需要零电压，因此简化了栅极驱动电路的设计。图 3 显示了增强型 GaN 晶体管的物理结构。如图 3(a) 所示，在栅极偏置电压为零时，GaN晶体管导电沟道保持关断状态，而不是耗尽型 GaN 晶体管的常开状态。为了能开通 GaN 晶体管，需要施加正的栅极偏置电压 VGS，将电子吸引到 AlGaN 和 GaN 的边界以形成高迁移率导电沟道，从而实现了一个正的开启阈值电压（典型值约为1.7V）。当 VGS 高于开启阈值电压 (VGS>VTH, E) 时，增强型 GaN 晶体管开通，如图 3(b) 所示。此外，为了防止 GaN 晶体管发生破坏性栅极击穿，施加的最大栅极电压需要进行钳位，元芯半导体提供了独有的专利钳位和保护技术，极大的提高了器件和系统的可靠性和稳定性。
GaN器件的工作特性
为了阐明增强型 GaN 晶体管的工作原理，图 4 展示了传输特性曲线。在 VGS 达到接近 1.7V 后，晶体管开始导通。由于 GaN 材料具有高电子高迁移率，GaN 晶体管表现出高跨导增益和大电流传导能力。例如，在 3V 的 VGS 下，典型的 GaN 晶体管可以传导 5A 的饱和电流 IDS。此外，GaN功率晶体管的饱和电流随温度增加呈现负温度系数，这可以保护功率器件在高温大功率工作情况下免受永久性损坏。
图 4 增强型GaN晶体管的传输特性
为了比较 GaN 晶体管与硅晶体管的栅极电容，选取了几款典型器件并对它们的栅极电荷 QG 参数进行比较，如表 1中所示。与传统的硅器件相比，GaN 器件具有宽禁带电压和高电子迁移率。在100V 耐压和相同的导通电阻 RDS(ON) 情况下，GaN 晶体管的栅极电荷比硅器件小了 12 倍，这使得GaN器件成为高频高效率开关电源系统中理想的开关功率器件。
表 1 硅和 GaN 器件之间栅极电荷 QG 的比较
图 5 展示了不同栅极驱动电压 VGS 下的导通电阻RDS(ON)。当 VGS 接近最大栅极电压时，RDS(ON)最低，器件沟道具有高导电性。因此，为了降低GaN器件导通损耗，需要在不损坏栅极结构的情况下最大化提高GaN 晶体管的栅极驱动电压。在GaN晶体管并联的大电流系统应用中，由于GaN晶体管RDS(ON)具备正温度系数，这使得其具有与硅晶体管相似的特性，易于并联以扩展功率范围。
图5. 不同的VGS栅极电压下的导通电阻
图 6. 增强型 GaN 晶体管的反向传导特性
图 6 所示，GaN在栅极为零电压的情况下，沟道中的电子完全耗尽，这迫使 GaN 晶体管处于关闭状态。然而，随着漏极电压进一步降低，栅极和漏极之间会产生正偏压，吸引栅极下方的电子形成导电沟道。由于 GaN 晶体管的漏极和源极结构不对称，反向导通呈现高阻值。例如，如果要反向传导 4A 的电流，漏极电压变为 -3V（VSD=3V）。另外，由于没有少数载流子参与导通， GaN 晶体管没有反向恢复损耗，这显著降低了开关损耗，使其非常适合高频开关应用。 |
