被動(dòng)半導(dǎo)體器件和主動(dòng)半導(dǎo)體器件（一）

首先，這里我們說的是半導(dǎo)體開關(guān)器件不涉及其它類型的器件，我們主要澄清設(shè)計(jì)選型器件中的常用術(shù)語，弄清楚主動(dòng)和被動(dòng)的含義以及兩類器件中包含的常用器件。

什么是被動(dòng)半導(dǎo)體器件和主動(dòng)半導(dǎo)體器件？

被動(dòng)半導(dǎo)體器件是無源器件的一類，這里的源是指供電電源，而這類器件工作時(shí)不需要電源控制或供電，而且這類器件是典型的兩端器件，最典型的器件是二極管（包括常規(guī)的二極管、穩(wěn)壓二極管、肖特基二極管等），工作時(shí)不需要任何驅(qū)動(dòng)電路。

主動(dòng)半導(dǎo)體器件是有源器件的一類，與無源器件相反，這類器件工作時(shí)需要電源控制或供電，否則無法正常工作或不能工作，這類器件是典型的三端器件，其中有一個(gè)端子是為控制工作狀態(tài)而設(shè)置的，也稱為控制端子，這類器件需要對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，由于其良好的控制特點(diǎn)，功率變換或控制更加靈活，應(yīng)用更為廣泛。

在電力電子系統(tǒng)中，通常主動(dòng)半導(dǎo)體器件和被動(dòng)半導(dǎo)體器件需配合使用才能構(gòu)成完備的系統(tǒng)，如下原理框圖，是基礎(chǔ)的非隔離升壓電路，即Boost電路，可以看到它既有開關(guān)管IGBT和MOSFET，又存在單向?qū)щ姷亩O管，同時(shí)可以看到有源器件附帶一套驅(qū)動(dòng)電路，其應(yīng)用相比無源器件更為復(fù)雜……

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被動(dòng)半導(dǎo)體器件和主動(dòng)半導(dǎo)體器件存在形式的現(xiàn)狀

對于被動(dòng)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，最常見的是硅（Si）二極管，包括PN結(jié)形式和肖特基（Schotty）的二極管，目前還有寬禁帶材料的碳化硅（SiC）二極管，從前面可知，由于材料的優(yōu)勢它擴(kuò)展了硅基二極管耐壓的范圍，尤其是對硅基肖特基二極管進(jìn)行了極大的彌補(bǔ)。

對于硅基的肖特基二極管，由于材料性質(zhì)限制和結(jié)構(gòu)特性，其實(shí)際使用器件的耐壓通常不超過200V，其耐壓等級處于比較低的電壓范圍，通常用在低壓整流電路中，使用在一些特殊電路中一定要注意其漏電流問題，尤其是高溫漏電流問題，比如一些高阻抗采樣端口的鉗位電路，而碳化硅依靠自身的材料特性，將肖特基耐壓提高了很多。所以鉗位電路中對高阻抗輸入端口，需要避免漏電流對正確信號(hào)的影響，選擇時(shí)一定注意漏電流的大小。

對于主動(dòng)或有源半導(dǎo)體器件，以下是常用電壓等級的器件，對于SiC器件我們只列出了SiC MOSFET，但目前硅基領(lǐng)域有的器件，SiC基器件均已出現(xiàn)，雖然SiC基的P型材料制作工藝不易。但是在傳統(tǒng)的3300V或6500V耐壓等級的IGBT中，SiC MOSFET以其相對簡單的結(jié)構(gòu)以及SiC材料帶來的優(yōu)良特性，SiC MOSFET完全可以替代SiC IGBT，也就沒必要做SiC IGBT了，對于電壓等級更高即超高壓領(lǐng)域的功率開關(guān)器件，由于導(dǎo)電調(diào)制效應(yīng)，雙載流子器件相對較低的導(dǎo)通損耗優(yōu)勢又會(huì)顯現(xiàn)出來，如10KV~20KV耐壓等級的SiC IGBT。

對于超級結(jié)MOSFET，即SJ MOSFET是對硅材料器件在500V至600V以上的MOSFET做的一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)（通常耐壓在1700V以內(nèi)），這有效降低了在較高電壓等級下MOSFET的溝道導(dǎo)通電阻“Rdson”，目前在中小功率領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在帶有PFC電路的反激式開關(guān)電源中，由于母線電壓的提高加上反射電壓反射電壓，使得要求的器件耐壓升高，加之散熱和效率的需求，在結(jié)合成本等方面因素下使用SJ MOSFET是不錯(cuò)的選擇，當(dāng)然還有像中小功率的光伏逆變器中也會(huì)綜合因素而選擇SJ MOSFET。

下圖中常用可控半導(dǎo)體器件類型和其工作頻率的關(guān)系圖，從中也可以看到，在500V及以上的耐壓范圍，IGBT和超級結(jié)MOSFET是對MOSFET器件的一種補(bǔ)充或銜接，這就是為什么說IGBT適用于高壓大電流的原因，因?yàn)?00V及以上耐壓的普通MOSFET器件，其內(nèi)阻急劇增大限制了其使用范圍，當(dāng)然這些都是器件結(jié)構(gòu)、工藝和材料等綜合因素決定的……

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導(dǎo)電調(diào)制效應(yīng)及其對器件特性的影響

其原理是P區(qū)的空穴不僅吸引漂移區(qū)N-的電子同時(shí)吸引襯底或基底N+區(qū)的電子，也稱為載流子雙倍注入，二極管等半導(dǎo)體器件需要的阻斷電壓越高，則漂移區(qū)越寬，由于漂移區(qū)的摻雜濃度低，會(huì)造成明顯的歐姆電阻，這個(gè)也是決定器件內(nèi)阻的主因，會(huì)導(dǎo)致器件導(dǎo)通損耗增加等不利因素，而導(dǎo)電調(diào)制效應(yīng)使得漂移區(qū)的載流子濃度上升，使得歐姆電阻大大降低。

導(dǎo)通時(shí)，使得原來漂移區(qū)的電子濃度升高，從而降低歐姆電阻，這種效應(yīng)發(fā)生在具有雙載流子參與導(dǎo)電的器件，如二極管、IGBT等，也就是說多子或電子參與導(dǎo)電的肖特基（Schotty）是不存在這種效應(yīng)的，因此，尤其是高壓硅基肖特基二極管，很難制造出性能超越普通PN結(jié)的二極管，由于漏電流大的問題，無導(dǎo)電調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致的高導(dǎo)通電壓都是限制高壓硅肖特基二極管使用的重要因素。

……

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氮化鎵及其器件的概述

氮化鎵器件的概述

前面我們簡單提了一下這類器件叫做GaN HEMT，其導(dǎo)電原理是二維電子氣（Two dimensional electron gas），是一種接近金屬材料導(dǎo)電特性的器件（多子器件的特點(diǎn)），這種器件都能夠工作于超高頻和超高速領(lǐng)域，原因就在于它是利用具有很高遷移率的所謂二維電子氣來工作的（多子的電子導(dǎo)電，且無摻雜因素的的影響，因此無載流子慣性效應(yīng)，載流子遷移率高，決定了GaN是高速器件）；HEMT（High Electron Mobility Transistor），高電子遷移率晶體管。這是一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）、二維電子氣場效應(yīng)晶體管（2DEGFET）、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管 (SDHT)等。

二維電子氣形成的機(jī)理

由于AlGaN層較薄且AlGaN材料的晶格常數(shù)大于GaN材料，二者的晶格失配使AlGaN層受到拉應(yīng)力，最終由于AlGaN的自發(fā)極化強(qiáng)度和壓力極化強(qiáng)度均強(qiáng)于GaN材料，在二者的異質(zhì)結(jié)界面經(jīng)過電荷抵消之后會(huì)留下形成凈的正極化電荷，而在異質(zhì)結(jié)界面處會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生出跟正的極化電荷密度同樣大小的帶負(fù)電荷的電子，這個(gè)就是二維電子氣-2DEG，因此二維電子氣是自發(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)的結(jié)果。

注意：異質(zhì)結(jié)，這是區(qū)別PN結(jié)的一種結(jié)構(gòu)，也是GaN HEMT的主要結(jié)構(gòu)特征。

對于GaN器件也存在耗盡型（D-mode，D代表Depletion，是耗盡的意思）和增強(qiáng)型（E-mode,E代表Enhancement，是增強(qiáng)的意思）HEMT，如下將分別介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)……

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常用氮化鎵器件的結(jié)構(gòu)

耗盡型（D-mode）GaN器件結(jié)構(gòu)，耗盡型器件是一種常開器件，即在不加控制電壓（Vgs=0V）的情況下，器件是開通的狀態(tài)，從下面結(jié)構(gòu)圖可以看出氮化鎵晶體管是通過兩種不同禁帶寬度的材料—這里是GaN和AlGaN，在兩種材料（異質(zhì)結(jié)）交界面形成的二維電子氣來形成類似的導(dǎo)電溝道進(jìn)行導(dǎo)電。

其優(yōu)勢是，D-mode GaN器件，結(jié)構(gòu)簡單、工藝易于實(shí)現(xiàn)，門極可靠性高；更好地保留了異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，從而保證了二維電子氣密度。

但常開器件，在功率系統(tǒng)中使用并不方便，要想同常規(guī)的MOSFET和IGBT控制方式相同，則需要對器件進(jìn)行改進(jìn)，其中一種是采用與低壓硅MOSFET的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，如下是采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)的GaN器件結(jié)構(gòu)原理圖和代表符號(hào)，它是低壓MOSFET和高壓GaN的折疊式結(jié)構(gòu)。

由于引入低壓MOSFET，提高了門極閾值電壓，降低了誤開通風(fēng)險(xiǎn)，再者由于低壓MOSFET的也具有良好的品質(zhì)因數(shù)（FOM），因此不會(huì)影響GaN HEMT的速度，這種混合器件也具有：低Rdson、低彌勒效應(yīng)、高速開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是，引入的二極管具有反向恢復(fù)的問題。

增強(qiáng)型（E-mode）GaN器件結(jié)構(gòu)，同增強(qiáng)型MOSFET一樣，增強(qiáng)型GaN器件在不加門極控制電壓（Vgs=0V）的情況下，是常閉狀態(tài)。

其原理是對柵極進(jìn)行P摻雜，保證柵極處于低電位時(shí)，二維電子氣（2DEG）導(dǎo)電溝道沒有建立，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，通過改變柵極偏置電壓來控制溝道中的二維電子氣的形成與否，以此實(shí)現(xiàn)對器件電流的調(diào)制，只要二維電子氣溝道建立，則如同我們使用的Si MOSFET……

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