氮化鎵MOS管與碳化硅MOS管的結構、性能差異分析-KIA MOS管

氮化鎵MOS管與碳化硅MOS管的結構、性能差異

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(yè)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(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)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(yōu)異特性。

當應用于開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升開(kāi)關(guān)電源的效率，功率密度和可靠性等性能。

氮化鎵MOS管，碳化硅MOS管

圖1：硅、碳化硅，氮化鎵，三種材料關(guān)鍵特性對比

由于具有以上優(yōu)異的特性，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET正越來(lái)越多的被應用于工業(yè)領(lǐng)域，且將被更大規模的應用。

氮化鎵MOS管結構及其特性

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(guò)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(lái)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(wèn)題。

氮化鎵MOS管，碳化硅MOS管

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(dòng)率晶體管(HEMT)，這意味著(zhù)在門(mén)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(kāi)器件。

這與傳統的常閉型MOSFET或者IGBT功率開(kāi)關(guān)都完全不同，對于工業(yè)應用特別是開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域是非常難以使用的。

為了應對這一問(wèn)題，業(yè)界通常有兩種解決方案，一是采用級聯(lián)(cascode)結構，二是采用在門(mén)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。

氮化鎵MOS管，碳化硅MOS管

圖3：兩種結構的氮化鎵晶體管

級聯(lián)結構的氮化鎵是耗盡型氮化鎵與一個(gè)低壓的硅MOSFET級聯(lián)在一起，該結構的好處是其驅動(dòng)與傳統硅MOSFET的驅動(dòng)完全相同（因為驅動(dòng)的就是一個(gè)硅MOSFET），但是該結構也有很大的缺點(diǎn)，首先硅MOSFET有體二極管，在氮化鎵反向導通電流時(shí)又存在體二極管的反向恢復問(wèn)題。

其次硅MOSFET的漏極與耗盡型氮化鎵的源極相連，在硅MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中漏極對源極出現的振蕩就是氮化鎵源極對門(mén)極的振蕩，由于此振蕩時(shí)不可避免的，那么就存在氮化鎵晶體管被誤開(kāi)通和關(guān)斷的可能。

最后由于是兩個(gè)功率器件級聯(lián)在一起，限制了整個(gè)氮化鎵器件的導通電阻的進(jìn)一步減小的可能性。

碳化硅MOSFET的結構

常見(jiàn)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(mén)極氧化層，由此帶來(lái)在較高的門(mén)極輸入電壓下門(mén)極氧化層的可靠性風(fēng)險。

英飛凌的碳化硅MOSFET產(chǎn)品CoolSiC采用了不同的門(mén)極結構，該結構稱(chēng)為溝槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其門(mén)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(mén)極氧化層強相關(guān)，那么可以在保證門(mén)極高靠可行性同時(shí)導通電阻仍舊可以做到極低。

氮化鎵MOS管，碳化硅MOS管

圖4：平面型碳化硅MOSFET結構示意圖

氮化鎵MOS管，碳化硅MOS管

圖5：CoolSiC溝槽型門(mén)極結構

碳化硅MOSFET的特性

與氮化鎵晶體管類(lèi)似，碳化硅MOSFET同樣具有導通電阻小，寄生參數小等特點(diǎn)，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(yè)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(kāi)關(guān)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(huì )被硬關(guān)斷的拓撲（例如電流連續模式圖騰柱無(wú)橋PFC）及軟開(kāi)關(guān)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(shí)間大大提升，這對于變頻器等馬達驅動(dòng)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(shí)現了短路時(shí)間長(cháng)，短路電流小等優(yōu)異特性，短路狀態(tài)下的可靠性大大提高。

氮化鎵MOS管，碳化硅MOS管