氮化鎵MOS管與碳化硅MOS管的結構、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的硅材料相比有諸多的優點，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，寄生參數小等優異特性。
當應用于開關電源領域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優點，可以大大提升開關電源的效率，功率密度和可靠性等性能。
圖1：硅、碳化硅，氮化鎵，三種材料關鍵特性對比
由于具有以上優異的特性，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET正越來越多的被應用于工業領域，且將被更大規模的應用。
氮化鎵MOS管的結構
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的少數載流子復合（即體二極管反向恢復）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構是一種耗盡模式(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。
這與傳統的常閉型MOSFET或者IGBT功率開關都完全不同，對于工業應用特別是開關電源領域是非常難以使用的。
為了應對這一問題，業界通常有兩種解決方案，一是采用級聯(cascode)結構，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。兩者結構如圖3所示。
圖3：兩種結構的氮化鎵晶體管
級聯結構的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個低壓的硅MOSFET級聯在一起，該結構的好處是其驅動與傳統硅MOSFET的驅動完全相同（因為驅動的就是一個硅MOSFET），但是該結構也有很大的缺點，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向導通電流時又存在體二極管的反向恢復問題。
其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開通和關斷過程中漏極對源極出現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斷的可能。
最后由于是兩個功率器件級聯在一起，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管的結構如圖4所示。為了減小通道電阻，這種結構通常設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產品CoolSiC采用了不同的門極結構，該結構稱為溝槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其門極結構如圖5所示。采用此結構后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關，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結構示意圖
圖5：CoolSiC溝槽型門極結構
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。
這兩項數值越小，表明反向恢復特性越好，存儲的電荷越低（軟開關拓撲中，半橋結構上下功率管所需要的死區越短）。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斷的拓撲（例如電流連續模式圖騰柱無橋PFC）及軟開關拓撲（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動應用非常重要，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實現了短路時間長，短路電流小等優異特性，短路狀態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）所應用系統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）所應用系統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）所應用系統工作最高環境溫度高，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）所應用系統噪聲干擾較大，特別是門極驅動干擾較大，首選碳化硅MOSFET，次選氮化鎵晶體管；
（5）所應用系統需要功率開關由較大的短路能力，首選碳化硅MOSFET；
（6）對于其他無特殊要求的應用系統，此時根據散熱方式，功率密度，設計者對兩者的熟悉程度等因素來確定選擇哪種產品。
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