書籍：《炬豐科技-半導(dǎo)體工藝》

文章：氮化鎵晶體管在電力電子中的應(yīng)用

編號：JFKJ-21-023

作者：炬豐科技

?作為近年來硅 (Si) 替代品的有吸引力的選擇。在新材料中，氮化鎵（GaN）被認為是最有前途的候選材料。本文概述了電力電子領(lǐng)域的 GaN 技術(shù)。該評論側(cè)重于 GaN 晶體管的主要方面，例如電氣、熱和經(jīng)濟特性。還介紹了為 LED 照明應(yīng)用設(shè)計的同步降壓轉(zhuǎn)換器系列中的 Si 和 GaN 開關(guān)器件之間的比較。該比較是使用同步降壓轉(zhuǎn)換器進行的，該轉(zhuǎn)換器在相同參數(shù)下設(shè)計，具有五種不同的開關(guān)頻率，范圍從 100 kHz 到 1 MHz。記錄效率和溫度。基于 GaN 的轉(zhuǎn)換器在所有情況下都具有更高的效率和更低的工作溫度，最高效率為 96.8%，最低 94.5%。此外，隨著開關(guān)頻率和死區(qū)時間的增加，基于硅的轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出更高的性能下降。

關(guān)鍵詞—— GaN、氮化鎵、GaN 晶體

I.?介紹

自從 1920 年代在鐵路 [1] 中用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的汞弧整流器的發(fā)展出現(xiàn)電力電子技術(shù)以來，通過電子電路處理能量的能力所提供的創(chuàng)新改變了世界. 然而，只有隨著 1940 年代硅 (Si) 晶體管的發(fā)展 [2]，特別是 1970 年代的硅金屬氧化物場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) [3]，才創(chuàng)建了基于開關(guān)轉(zhuǎn)換器成為可能。

?將以某種方式由開關(guān)轉(zhuǎn)換器處理 [4]。因此，預(yù)計到 2020 年，功率半導(dǎo)體市場將超過 17B 美元，這尤其受到全球?qū)Ω?jié)能設(shè)備的趨勢的推動 [5]。

更高效、更緊湊的電路的開發(fā)取決于所用半導(dǎo)體器件的改進 [6]。開關(guān)頻率的增加一直是一個經(jīng)常性的選擇，因為它允許無源器件的小型化......最后，在第七節(jié)中，提出了本文的結(jié)論。

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II.?材料 功率半導(dǎo)體的選擇

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?由所用材料的特性決定在制造過程中 [3], [20]。表 I 總結(jié)了 Si、SiC 和 GaN [3]、[21] 的一些關(guān)鍵參數(shù)。這些是功率半導(dǎo)體行業(yè)中最常用的一些材料。在接下來的小節(jié)中，將討論每個參數(shù)并評估其對最終設(shè)備的影響......

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III.?氮化鎵晶體管

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上世紀 90 年代，GaN 基晶體管制造的第一個進展集中在射頻 (RF) 應(yīng)用上 [28]，[29] 是 1975 年首次展示的氮化鎵的高電子遷移率效應(yīng) [30]。射頻市場的第一個 GaN 晶體管出現(xiàn)于 2004 年，由 Eudyna Corporation、CREE、Nitronex 和 RFMD [3]、[31]、[32] 公司生產(chǎn)......

IV.?設(shè)計挑戰(zhàn)

由于使用了一種新的但仍然很少被探索的技術(shù)，有必要深化在插入這些新產(chǎn)品的電路設(shè)計中使用的技術(shù)......

略

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七、結(jié)論

近年來出現(xiàn)了大帶隙半導(dǎo)體，例如 SiC，尤其是 GaN，作為可能的替代品?Si 器件使電力電子設(shè)備可以不斷超越限制并提高靜態(tài)轉(zhuǎn)換器的性能。通過這種方式，可以在不犧牲系統(tǒng)效率的情況下實現(xiàn)更高的功率密度、更高的工作頻率和更低的體積。

與 Si 器件不同，GaN 半導(dǎo)體仍處于發(fā)展的早期階段，無論是在性能改進還是制造成本方面，還有很長的路要走。盡管幾乎沒有參與電力電子市場，但 GaN 半導(dǎo)體已經(jīng)出現(xiàn)在學(xué)術(shù)環(huán)境中的許多應(yīng)用中。它們的特性如更高的工作溫度、更低的固有電容和更高......所呈現(xiàn)的結(jié)果突出了 GaN 在未來在電力電子市場中占據(jù)硅地位的潛力。隨著對更緊湊和更高效轉(zhuǎn)換器的需求增加，對高性能設(shè)備的需求也在增長。此外，硅技術(shù)正在接近其理論極限。因此，它為在不久的將來在市場上插入 GaN 器件創(chuàng)造了鼓勵。

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