氮化镓晶体管逐步替代硅基MOSFET，性能极限高出6000倍

随着电力电子装置的小型化和轻量化 ， 宽禁带半导体器件GaN FET 优于 Si 器件的特性使其在电力电子领域的应用受到广泛关注 。自氮化镓器件应用到USB PD充电器以后，充电器的转换效率提高了好几个点。

氮化镓的大规模应用，将传统硅半导体器件限制打破，提高了充电器的开关频率，降低了开关损耗和导通损耗，减小变压器的体积。同时氮化镓的高效优势降低了充电器工作的温升，降低散热需求，打造出高性能小体积的充电器。

MOSFET，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应管。其特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。

MOSFET器件的主要原理是能够控制源极端子和漏极端子之间的电压和电流。它几乎像一个开关一样工作，并且该设备的功能基于MOS电容器。MOS电容器是MOSFET的主要部分。

通过分别施加正或负栅极电压，可以将位于源极和漏极端子之间的下氧化层处的半导体表面从p型反转为n型。当我们对正栅极电压施加排斥力时，氧化层下方的空穴将与基板一起向下推动。

耗尽区由与受体原子相关的结合的负电荷构成。当到达电子时，会形成一个通道。正电压还将电子从n +源极和漏极区吸引到沟道中。如果在漏极和源极之间施加电压，电流将在源极和漏极之间自由流动，而栅极电压将控制沟道中的电子。

MOSFET内部结构

MOSFET主要参数表

氮化镓(GaN)为第三代宽禁带半导体材料 ，在高温 、高 压 、高频等应用场合其半导体器件的特性都要优于Si基半导体器件。用GaN材料制成的功率器件GaN FET具有低的击穿电压、低的阈值电压、低的栅极电荷Qg，极低的Qrr和非常快速的开关转换，可减少开关损耗，实现最 高效率。包含半桥电路的方案，无论是AC/DC、DC/DC还是多相DC/AC逆变器，都能受益于氮化镓场效应晶体管的应用。

GaN FET实现电源电路

效率更高，损耗更低

氮化镓FET内部结构

GaN FET的器件结构及工作原理

GaN FET器件的结构目前主要有耗尽型(Depletion mode，D-mode)和增强型(Enhancement mode，E-mode)。这里主要介绍耗尽型GaN FET。

耗尽型GaN FET的器件结构如图所示

耗尽型GaN FET采用Si材料作为GaN FET的基片，在Si基片基础上生长出高阻性的GaN晶体层，即氮化镓通道层(GaN channel)。一般在GaN层和Si衬底层之间添加氮化铝(AIN)绝缘层作为氮化镓缓冲层(GaN buffer)，将器件和衬底隔离开来。AlGaN层存在GaN层和栅极(G)、源极(S)和漏极(D)之间；AlGaN层和GaN层之间可以产生具有高电子迁移率、低电阻特性的二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas，2DEG)，且它的浓度随AlGaN厚度先线性增加，然后达到饱和。

与Si传统器件不同，耗尽型GaN FET由于氮化物极强的极化效应，AlGaN/GaN异质结可以通过自发极化和压电极化效应在其界面形成很高浓度2DEG导电沟道，在零栅压下，器件处于导通状态。因此往往需要负压关断。耗尽型GaN FET不同于Si MOSFET的是，由于其栅极下方不存在与S极连接的P型寄生双极性区，因此没有寄生体二极管，故而器件开关损耗小、具有对称的传导特性。因此GaN FET可由正栅源电压VGS或正栅漏电压VGD驱动。

GaN FET参数

氮化镓场效应晶体管图腾柱无桥PFC 

在硬开关应用中，功率氮化镓场效应晶体管明显优于所有其他功率器件，当使用图腾柱拓扑时，不但提高了性能，而且减少了50%器件数量。较少的器件数量可以降低系统成本， 提高功率密度，同时提升整个系统的可靠性。整个系统的效率提高，也有助于减少昂贵的散热冷却系统和在密闭环境中的相关操作成本。

SI、SIC、GaN

导通阻抗和击穿电压的极限

输出功率和工作频率对比

为什么需要GaN？

沃泰芯半导体目前已推出三款D-MODE的氮化镓开关管，均采用贴片封装，支持快充及LED照明应用。通过应用氮化镓到电源厂产品中，可以降低开关电源的待机功耗，同时提高转换效率，降低散热要求。同时，还可以在相同的体积内增加输出功率，扩展使用场景。

（产品详情点击《沃泰芯推出三款贴片氮化镓开关管，助力普及氮化镓应用》）