隨著技術(shù)的發(fā)展，終端設(shè)備對(duì)于半導(dǎo)體器件性能、效率、小型化要求的越來(lái)越高，特別是隨著5G的即將到來(lái)，也進(jìn)一步推動(dòng)了以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展。

GaN的神奇

1、GaN是什么?

GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃，GaN具有高的電離度，在III-V族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

2、GaN器件逐步步入成熟階段

氮化鎵技術(shù)可以追溯到1970年代，美國(guó)無(wú)線電公司(RCA)開發(fā)了一種氮化鎵工藝來(lái)制造LED。

自上世紀(jì)90年代開始，基于GaN的LED大放異彩，目前已是LED的主流。現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的很多LED就是使用藍(lán)寶石襯底的氮化鎵技術(shù)。

除了LED，氮化鎵也被使用到了功率半導(dǎo)體與射頻器件上。基于氮化鎵的功率芯片正在市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟。

2010年，第一個(gè)GaN功率器件由IR投入市場(chǎng)，2014年以后，600V GaN HEMT已經(jīng)成為GaN器件主流。

2014年，行業(yè)首次在8英寸SiC(碳化硅)上生長(zhǎng)GaN器件。

3、GaN在電力電子領(lǐng)域與微波射頻領(lǐng)域均有優(yōu)勢(shì)

①、GaN在電力電子領(lǐng)域：高效率、低損耗與高頻率

高轉(zhuǎn)換效率：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場(chǎng)是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比Si器件低3個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

低導(dǎo)通損耗：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場(chǎng)是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比Si器件低3個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

Si功率器件開關(guān)速度慢，能量損耗大

GaN開關(guān)速度快，可大幅度提升效率(來(lái)源：太平洋證券整理)

高工作頻率：GaN開關(guān)器件寄生電容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大減小了電路中儲(chǔ)能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設(shè)備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。

②、GaN在微波射頻領(lǐng)域：高效率、大帶寬與高功率

更高功率：GaN上的電子具有高飽和速度(在非常高的電場(chǎng)下的電子速度)。結(jié)合大電荷能力，這意味著GaN器件可以提供更高的電流密度。RF功率輸出是電壓和電流擺動(dòng)的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實(shí)際尺寸的晶體管中產(chǎn)生更高的RF功率。在4GHz以上頻段，可以輸出比GaAs高得多的頻率，特別適合雷達(dá)、衛(wèi)星通信、中繼通信等領(lǐng)域。

更高效率：降低功耗，節(jié)省電能，降低散熱成本，降低總運(yùn)行成本。

更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實(shí)現(xiàn)多頻率覆蓋，降低客戶產(chǎn)品成本。也適用于擴(kuò)頻通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。

另外值得一提的是，GaN-on-SiC器件具有出色的熱性能，這主要?dú)w功于SiC的高導(dǎo)熱性。實(shí)際上，這意味著GaN-on-SiC器件在耗散相同功率時(shí)不會(huì)像GaAs或Si器件那樣熱。“較冷”設(shè)備意味著更可靠的設(shè)備。

在晶體管級(jí)，GaN比傳統(tǒng)硅晶體管具有更高的電流、更快的開關(guān)速度和更小的物理尺寸。還可以使用增強(qiáng)模式GaN (e-GaN)和采用Cascode結(jié)構(gòu) FET GaN開關(guān)結(jié)構(gòu)。

e-GaN開關(guān)是一種正常關(guān)閉的GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)，它的工作原理與普通MOSFET類似，但需要更多的注意門驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。e-GaN HEMTs就是專門為開關(guān)而設(shè)計(jì)的門驅(qū)動(dòng)器。在Cascode結(jié)構(gòu)中，Cascode耗盡模式GaN開關(guān)與硅MOSFET串聯(lián)使用常開耗盡模式GaN HEMT。硅MOSFET控制開關(guān)中的氮化鎵HEMT的開關(guān)，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET柵驅(qū)動(dòng)器，并集成了GaN HEMT和相關(guān)的GaN門驅(qū)動(dòng)電路的部件也可使用。

應(yīng)用前景

隨著越來(lái)越多的供應(yīng)商向市場(chǎng)提供產(chǎn)品，GaN在電力應(yīng)用中的應(yīng)用顯著增長(zhǎng)。相對(duì)于硅，GaN具有更高的開關(guān)頻率、更低的損耗和更小的物理尺寸。這意味著工程師在設(shè)計(jì)有限空間和高效率的電力電路時(shí)有更多的選擇。從GaN中獲益最多的應(yīng)用程序是那些需要高效率或緊湊物理空間的應(yīng)用程序。在服務(wù)器、電信、適配器/充電器、無(wú)線充電和D級(jí)音頻等市場(chǎng)有著光明的情景。

廠商產(chǎn)品一覽

EPC

自從2009年推出商用增強(qiáng)型GaN (eGaN?)晶體管以來(lái)，EPC現(xiàn)在提供了廣泛的GaN FETs和集成GaN器件選擇。場(chǎng)效應(yīng)晶體管有單晶體管和陣列兩種，單極晶體管Vdss額定值可達(dá)200 V，連續(xù)ID可達(dá)90a (TA = 25°C)。晶體管陣列有雙共源、半橋和半橋+同步引導(dǎo)配置。此外，集成的GaN器件——EPC2112和EPC2115，EPC2112包含一個(gè)200伏GaN功率晶體管和一個(gè)2.9mmx1.1mm封裝優(yōu)化柵驅(qū)動(dòng)器;EPC2115包含兩個(gè)單片150伏GaN功率晶體管，每個(gè)晶體管都有一個(gè)優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器，封裝在一個(gè)2.9毫米x 1.1毫米的封裝中。

由于GaN晶體管比硅晶體管小得多，故而EPC設(shè)備采用芯片級(jí)封裝。這種組合使得更小的設(shè)備使用更少的PCB空間，讓成本更低。更小的引腳和更卓越的性能使得GaN無(wú)法設(shè)計(jì)更大的硅零件。EPC的FETs和ICs在評(píng)估版和展示板上訪問快速啟動(dòng)指南，示意圖，BOMs和Gerber文件。

英飛凌

英飛凌在硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)技術(shù)中提供基于半導(dǎo)體的電力設(shè)備。在GaN技術(shù)方面，英飛凌開發(fā)了用于高壓GaN開關(guān)的600v CoolGaN?增強(qiáng)模式(通常關(guān)閉)GaN電源晶體管和EiceDRIVER?單通道隔離柵驅(qū)動(dòng)芯片。1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H EiceDRIVER?柵極驅(qū)動(dòng)器IC與CoolGaN?power fts具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。GaN EiceDRIVER?系列的主要優(yōu)點(diǎn)包括正柵和負(fù)柵驅(qū)動(dòng)電流，在非相位時(shí)能將柵電壓牢牢地保持在零，以及集成的電流隔離。

Navitas

集成電路是集成了GaN功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、門驅(qū)動(dòng)器和邏輯的單片GaN芯片。Navitas提供GaN電源集成解決方案，將完整的電路集成在一個(gè)模具中，在尺寸、開關(guān)速度、效率和易于集成方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。NV6113、NV6115和NV6117是單開關(guān)設(shè)備，可用于buck、boost、半橋和全橋等拓?fù)洹VE031E是NV6115的電源演示板。

德州儀器公司

TI提供GaN驅(qū)動(dòng)器和集成的GaN電源級(jí)設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供了選擇GaN輸出FET的靈活性，以滿足特定要求。集成功率級(jí)器件可將寄生電感降至最低，從而提高開關(guān)性能，減少電路板空間。

TI的GaN驅(qū)動(dòng)程序包括LMG1205、LMG1210、LMG1020和LM5113-Q1。LMG1205的設(shè)計(jì)是在同步降壓、升壓或半橋結(jié)構(gòu)下驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)增強(qiáng)模式GaN FETs。LMG1210具有與LMG1205相同功能，但提供了優(yōu)越的開關(guān)性能、電阻可配置的死區(qū)時(shí)間以及用于更廣泛VDD范圍的內(nèi)部LDO。LMG12xx評(píng)估板包括LMG1205HBEVM和LMG1210EVM-012。LMG1020是一個(gè)單一低側(cè)驅(qū)動(dòng)程序，用于在高速應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)GaN和邏輯級(jí)MOSFET上。LM5113-Q1用于驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)增強(qiáng)模式GaN FET或硅MOSFET同步降壓、升壓或半橋結(jié)構(gòu)的汽車應(yīng)用，并符合EC-Q100，它的評(píng)估版是LM5113LLPEVB。

TI的集成電源級(jí)設(shè)備包括LMG3411和LM5200。LMG3411集成了600伏GaN場(chǎng)效應(yīng)管、驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路，它的評(píng)估板是lmg3411ev -029。LMG5200集成了兩個(gè)80伏GaN場(chǎng)效應(yīng)管，由一個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，采用半橋結(jié)構(gòu)。

Transphorm

最后，Transphorm提供的GaN電源開關(guān)，其基礎(chǔ)是一個(gè)正常關(guān)閉的低電壓硅MOSFET和一個(gè)正常打開的高電壓GaN HEMT[1]在Cascode結(jié)構(gòu)。

Transphorm的GaN器件就像帶有低電荷體二極管的超高速場(chǎng)效應(yīng)晶體管。與傳統(tǒng)硅相比，具有較短的恢復(fù)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)提供非常快的上升與上升時(shí)間<10 ns。可以用在650伏和900伏的設(shè)備上。

增強(qiáng)型GaN HEMT可在低、中壓范圍(高達(dá)200V)使用，很快就可以達(dá)到更高電壓(600V)。然而，就當(dāng)今的技術(shù)而言，由于面臨閘極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，所以必須平衡增強(qiáng)型元件的便利性、性能和穩(wěn)定性，增強(qiáng)型GaN HEMT的臨界值電壓較低，而且可以完全導(dǎo)通的增強(qiáng)型VGS和絕對(duì)最大額定值的VGS通常只差1V。鑒于GaN HEMT的開關(guān)速度極快，促使從漏極耦合到閘極的C dv/dt造成閘極驅(qū)動(dòng)電路很容易受到「閘極反彈」電壓的影響。盡管如此，增強(qiáng)型GaN HEMT仍然具有誘人優(yōu)勢(shì)，并且將來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)毫無(wú)疑問會(huì)越來(lái)越好。

[1] 基本的GaN構(gòu)建模組就是高電子遷移率電晶體(HEMT)，它由一塊基板上生長(zhǎng)的各種GaN層構(gòu)成。HEMT基本上是一種超高速、常開元件，像通過施加負(fù)閘偏壓即可關(guān)閉的電阻。