氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET是近兩、三年來新興的功率半導體元件。與傳統的矽功率半導體裝置相比，它們具有許多優異的特性：高耐壓、低導通電阻、低寄生參數等。它們也具有自身獨特的優勢：氮化鎵電晶體極低的寄生參數和極快的開關速度使其特別適用於高頻應用；碳化矽MOSFET易於驅動且可靠性高，使其適用於高效能開關電源。

本文以英飛凌的氮化鎵電晶體和碳化矽 MOSFET 產品為基礎，詳細介紹了二者的結構、特性和應用差異。      
作為第三代功率半導體的雙子星，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET正日益受到業界，尤其是電氣工程師的關注。電機工程師如此重視這兩種功率半導體的原因在於，如圖1所示，與傳統的矽材料相比，它們的材料具有許多優勢。氮化鎵和碳化矽材料更大的帶隙寬度和更高的臨界場強使得基於這兩種材料的功率半導體具有優異的特性，例如高耐壓、低導通電阻和小寄生參數。當應用於開關電源領域時，它們具有低損耗、高工作頻率和高可靠性等優點，可顯著提高開關電源的效率、功率密度和可靠性。      
          圖 1：矽、碳化矽和氮化鎵主要性能的比較
由於上述優異特性，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET在工業領域的應用日益廣泛，並將進一步擴大應用規模。圖2展示了IHS Markit提供的這兩種功率半導體裝置的應用領域與銷售預測。隨著應用領域的拓展，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET的銷售也將顯著成長。圖3是IHS Markit提供的這兩種功率半導體元件的銷售預測。      
      圖2：氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET的應用領域及銷售預測
      圖 3：氮化鎵電晶體和碳化矽 MOSFET 的銷售預測
本文第二章將詳細介紹氮化鎵電晶體的結構與特性。第三章將詳細介紹碳化矽MOSFET的結構與特性。第四章將對這兩種功率半導體在同一電路中的應用進行比較分析，以更清楚地闡述它們在應用上的異同。最後，本文將進行總結。      
             氮化鎵電晶體的結構與特性          

氮化鎵晶體管的結構

與矽基功率半導體不同，氮化鎵電晶體透過二維電子氣（2DEG）導電，此二維電子氣是由兩種帶隙不同的材料（通常是AlGaN和GaN）在界面處透過壓電效應形成的，如圖4所示。由於二維電子氣只有在電子濃度較高時才能導電，因此不存在矽MOSFET的少數載子複合（即體二極體反向恢復）問題。      
      圖4：氮化鎵導電原理示意圖
圖 4 所示的基本氮化鎵電晶體結構為耗盡型高電子遷移率電晶體 (HEMT)，這意味著當閘極和源極之間沒有施加電壓 (VGS=0V) 時，氮化鎵電晶體的汲極和元件導通，即它是一種常導元件。這與傳統的常閉型 MOSFET 或 IGBT 功率開關完全不同，後者在工業應用中，尤其是在開關電源領域，應用起來非常困難。為了解決這個問題，業界通常有兩種解決方案。一種是採用共源共柵結構，另一種是在柵極上添加 P 型氮化鎵，形成增強型（常閉）電晶體。這兩種結構如圖 5 所示。      
      圖5：氮化鎵電晶體的兩種結構
級聯結構中的氮化鎵是耗盡型氮化鎵，與低壓矽MOSFET級聯。這種結構的優點在於其驅動方式與傳統矽MOSFET完全相同（因為它驅動的是矽MOSFET）。然而，這種結構也存在一些明顯的缺點。首先，矽MOSFET具有體二極體。當氮化鎵反向導通電流時，體二極體會出現反向恢復問題。其次，矽MOSFET的汲極與耗盡型氮化鎵的源極相連。在矽MOSFET的開關過程中，汲極和源極之間的振盪會轉化為氮化鎵源極和閘極之間的振盪。由於這種振盪不可避免，因此存在氮化鎵晶體管被錯誤地導通和關斷的可能性。最後，由於兩個功率元件級聯在一起，進一步降低整個氮化鎵元件導通電阻的可能性受到限制。      
由於級聯結構存在上述問題，功率半導體產業主流的氮化鎵晶體管技術是增強型氮化鎵晶體管。以英飛凌科技股份有限公司的CoolGaN氮化鎵電晶體為例，其詳細結構如圖6所示。      
      圖 6：CoolGaN 結構示意圖
如圖6所示，目前業界的氮化鎵電晶體產品採用平面結構，即源極、閘極和汲極位於同一平面內，這與超接面技術所代表的矽MOSFET的垂直結構不同。柵極下方的p-GaN結構構成了前文所述的增強型氮化鎵電晶體。漏極附近的另一個p-GaN結構用於解決氮化鎵電晶體中常見的電流崩塌問題。英飛凌科技股份有限公司的CoolGaN產品採用矽材料基板，可大幅降低氮化鎵電晶體的材料成本。由於矽材料和氮化鎵材料的熱膨脹係數差異很大，因此在基板和GaN之間添加了多個過渡層，以確保氮化鎵晶體管在高低溫循環、高低溫衝擊等嚴苛工作條件下不會出現晶圓分層等失效問題。      
       

氮化鎵電晶體的特性

根據圖 6 所示的結構，CoolGaN 具有表 1 所示的特性及其所帶來的優勢。      
      表1：CoolGaN的特性及其優勢
從表1所示的特性可以看出，氮化鎵電晶體沒有體二極體，但仍能導通反向電流，因此非常適合需要功率開關反向電流且需要硬換向的電路，例如電流連續模式（CCM）下的圖騰柱無橋PFC，可以實現極高的可靠性和效率。電路拓樸圖如圖7所示。圖中，Q1和Q2為氮化鎵電晶體，Q3和Q4為矽MOSFET。      
      圖7：採用氮化鎵電晶體的圖騰柱式PFC拓樸結構的示意圖
從表1也可以看出，氮化鎵具有極快的開關速度和極小的驅動損耗，因此非常適合高頻應用。採用氮化鎵電晶體的高頻開關電源具有高功率密度和高效率的優點。圖8所示為一個3.6kW的LLC拓樸DC-DC轉換器。此LLC的諧振頻率為350kHz。轉換器的功率密度達到160W/in³，最高效率超過98%。      
      圖 8：採用 CoolGaN 的 3.6KW LLC 轉換電路
從上述分析可以看出，氮化鎵電晶體適用於需要高效率、高頻率和高功率密度的應用。      
             碳化矽 MOSFET 結構及其特性          

碳化矽MOSFET的結構

圖 9 展示了一種常見的平面碳化矽 MOSFET 的結構。為了降低通道電阻，這種結構通常採用非常薄的閘極氧化層，但這會在高閘極輸入電壓下為閘極氧化層帶來可靠性風險。為了解決這個問題，CoolSiC 碳化矽 MOSFET 產品採用了不同的閘極結構，稱為溝槽式碳化矽 MOSFET。其閘極結構如圖 10 所示。採用此結構後，碳化矽 MOSFET 的通道電阻不再與閘極氧化層密切相關，因此在確保高閘極可靠性和可行性的同時，仍能保持極低的導通電阻。      
      圖9：平面碳化矽MOSFET的結構示意圖
      圖 10：CoolSiC 溝槽閘極結構
       

碳化矽MOSFET的特性

與氮化鎵電晶體類似，碳化矽 MOSFET 也具有導通電阻小、寄生參數低的特性。此外，與矽 MOSFET 相比，其體二極體特性也得到了顯著改善。圖 11 比較了英飛凌 650V 耐壓碳化矽 MOSFET CoolSiC 和業界體二極體性能最佳的矽功率 MOSFET CoolMOS CFD7 的兩項主要指標 RDS(on)*Qrr 和 RDS(on)*Qoss。前者用於衡量體二極體的反向恢復特性，後者用於衡量 MOSFET 輸出電容上的儲存電荷量。這兩個指標的值越小，反向恢復特性越好，儲存電荷越少（在軟開關拓樸結構中，半橋結構上下功率管所需的死區越短）。可以看出，與具有相似導通電阻的矽MOSFET相比，碳化矽MOSFET的反向恢復電荷僅為1/6左右，輸出電容上的電荷僅為1/5左右。因此，碳化矽MOSFET特別適用於體二極體硬關斷的拓樸結構（例如電流連續模式圖騰柱無橋PFC）和軟開關拓樸（LLC、移相全橋等）。      
碳化矽 MOSFET 還具有一項突出的特性：短路性能。與矽 MOSFET 相比，其短路時間大幅提升，這對於逆變器等馬達驅動應用至關重要。圖 12 展示了 CoolSiC 和 CoolMOS 短路性能的比較圖。從圖中可以看出，CoolSiC 具有短路時間長、短路電流小等優異特性，其在短路條件下的可靠性也顯著提高。      
      圖 11：碳化矽 MOSFET 和矽 MOSFET 的性能比較
      圖 12：碳化矽 MOSFET 短路能力比較
第三章介紹了氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET的結構和特性。下文將比較兩者的參數和實際電路。      
             氮化鎵和碳化矽 MOSFET 的比較          

電參數比較

表 2 顯示了氮化鎵電晶體 CoolGaN 和碳化矽 MOSFET CoolSiC，比較了兩種功率半導體的關鍵參數。      
      表2：CoolGaN和碳化矽MOSFET CoolSiC關鍵參數對比
從表2可以看出，氮化鎵電晶體的動態參數低於碳化矽MOSFET。因此，氮化鎵電晶體的開關損耗也低於碳化矽MOSFET，其優勢在高工作頻率下更為明顯。當電流反向流動（源極到汲極）時，氮化鎵電晶體的壓降與其閘極源驅動電壓有關。兩者孰高孰低需要根據具體應用情況來比較。對於最後一個閾值電壓Vgs(th)，氮化鎵電晶體的值非常小，這意味著必須格外注意氮化鎵電晶體的驅動設計。如果閘極雜訊較大，可能會導致氮化鎵電晶體意外導通。同時，CoolGaN採用電流型驅動模式，這與傳統的電壓型驅動不同。碳化矽MOSFET的閾值電壓要高得多，其驅動要求與IGBT驅動非常接近。      
圖 13 展示了另一個重要參數的比較，即導通電阻 RDS(on) 隨溫度的變化率。眾所周知，功率半導體開關的導通電阻具有正溫度係數，也就是說，結溫越高，導通電阻越大。由圖 13 可以看出，碳化矽 MOSFET 的溫升係數遠小於氮化矽電晶體和矽 MOSFET。當結溫為 100°C 時，二者的溫升係數分別相差 30% 和 50%。根據圖 13 可以看出，假設碳化矽 MOSFET 和氮化鎵電晶體在 25°C 結溫下的導通電阻相同，則在同一應用電路中，兩者的導通損耗 (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) 相同。但是，當兩者的結溫升至 100°C 時，碳化矽 MOSFET 的導通損耗僅為氮化矽晶體管的 70%，這對於環境要求嚴苛且需要在高溫下保持高效率的應用場景來說非常有吸引力。      
      圖 13：碳化矽 MOSFET、氮化鎵電晶體和矽 MOSFET 的導通電阻曲線隨結溫的變化
       

應用比較

首先，在圖 7 所示的電流連續模式 (CCM) 圖騰柱無橋 PFC 電路上測試了氮化鎵電晶體和碳化矽 MOSFET 對轉換效率的影響。測試條件如表 3 所示。      
      表 3：PFC 電路測試條件
在測試中，每個功率開關都測試了兩個導通電阻裝置。氮化鎵電晶體的導通電阻 (RDS(on)) 分別為 35mΩ 和 45mΩ，碳化矽 MOSFET 的導通電阻分別為 65mΩ 和 80mΩ。測試結果如圖 14 所示。由於在輕載條件下功率開關的開關損耗大於導通損耗，因此氮化鎵電晶體的效率顯著高於碳化矽電晶體。隨著負載逐漸增加，導通損耗在總損耗中所佔的比例逐漸高於開關損耗。同時，隨著負載的增加，功率開關的溫升也隨之增加。根據圖 13 中導通電阻隨結溫的變化率可以看出，碳化矽電晶體的導通電阻隨溫度的升高幅度較小。因此，儘管碳化矽電晶體在 25°C 時的導通電阻高於氮化鎵電晶體，但兩種功率開關在高溫下的效率差異卻很小。      
      圖 14：碳化矽 MOSFET、氮化鎵電晶體在 PFC 水準下的效率曲線
接下來，我們比較了在3kW輸出功率的兩相交錯並聯半橋LLC電路拓樸中，氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET在不同工作頻率下的運算效率。計算忽略了頻率升高導致的磁性元件（包括諧振電感和主功率電感）損耗增加的影響。電路拓樸如圖15所示。選用的氮化鎵電晶體型號為IGOT60R070D1（25℃時最大導通電阻RDS(on)為70mΩ），共8個。選用的碳化矽MOSFET型號為IMZA65R048M1H（25℃時最大導通電阻RDS(on)為64mΩ），共8個。      
      圖15：兩相交錯並聯LLC電路示意圖
在50%負載（1500W）與常溫工作環境下，不同工作頻率的效率比較如圖16所示。當工作頻率較低（<100kHz）時，導通電阻相近的氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET的效率相近，兩者均可達到極高的效率（>99.2%）。當工作頻率提高到300kHz時，由於氮化鎵電晶體的寄生參數極小，其開關損耗在總損耗中所佔比例很低，因此其效率下降幅度很小（0.08%），而碳化矽MOSFET的效率則會下降0.58%（99.28%-98.7%）。當工作頻率進一步提高到500kHz時，兩者之間的效率差距變得非常大（1%）。當然，對於實際電路而言，考慮到頻率的增加會導致磁性元件損耗的急劇增加，兩者之間的效率差異不會那麼大，但效率變化的趨勢是相同的。      
      圖 16：兩種功率元件在不同工作頻率的效率比較
             氮化鎵和碳化矽 MOSFET 應用建議          

根據第 3 章和第 4 章的討論，基於英飛凌科技股份有限公司的氮化鎵電晶體和碳化矽 MOSFET 產品，對這兩種寬禁帶功率半導體的應用建議如下：
（1）由於某些原因，所應用的系統必須在超過 200KHz 的頻率下工作。氮化鎵晶體管是首選，其次是碳化矽 MOSFET。如果工作頻率低於 200KHz，則兩者都可以使用；
（2）所應用的系統要求從輕載到半載都具有極高的效率。氮化鎵電晶體是首選，其次是碳化矽MOSFET；
（3）如果所應用的系統具有較高的最高工作溫度、散熱困難或滿載時需要極高的效率，則首選碳化矽 MOSFET，其次是氮化鎵晶體管；
（4）所應用的系統雜訊幹擾較大，特別是閘極驅動幹擾。碳化矽MOSFET是首選，氮化鎵電晶體是次要選擇；
（5）如果所應用的系統需要具有較大短路能力的功率開關，則碳化矽 MOSFET 是首選；
（6）對於其他沒有特殊要求的應用系統，選擇哪一種產品取決於散熱方式、功率密度以及設計人員對這兩種產品的熟悉程度等因素。      
             總結          

本文詳細介紹了近年來湧現的兩種寬禁帶功率半導體—氮化鎵電晶體和碳化矽MOSFET的結構、特性、性能差異及應用建議。由於寬禁帶功率半導體具有矽材料半導體無法比擬的許多性能優勢，因此在業界得到了越來越廣泛的應用。      
     

隨著業界對寬禁帶功率半導體的了解加深和應用經驗的積累，兩者的使用量都將大幅增長，從而帶動價格下降。這將反過來促進寬禁帶功率半導體的大規模應用，形成良性循環。因此，對於電子工程師而言，儘早掌握和應用寬禁帶功率半導體至關重要，這有助於提升產品競爭力、提高產品知名度並增強自身能力。我相信本文對於電子工程師熟悉和應用寬禁帶功率半導體具有重要的參考價值和借鏡意義。

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