氮化镓和碳化硅的结构和性能有何不同

作为第三代功率半导体的绝世双胞胎，氮化镓MOS管和碳化硅MOS管日益受到业界特别是电气工程师的关注。电气工程师之所以如此关注这两种功率半导体，是因为它们的材料与传统的硅材料相比具有许多优点。
氮化镓和碳化硅材料较大的禁带宽度和较高的临界场强，使得基于这两种材料的功率半导体具有耐压高、导通电阻低、寄生参数小等优良特性。
应用于开关电源领域时，具有损耗小、工作频率高、可靠性高等优点，可大大提高开关电源的效率、功率密度和可靠性。
由于这些优异的特性，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET正越来越多地应用于工业领域，并将在更大范围内得到应用。

氮化镓MOS管的结构和特性
与硅制成的功率半导体不同，氮化镓晶体管通过两种不同带隙材料（通常是AlGaN和GaN）在界面处的压电效应形成的二维电子气（2DEG）导电。由于二维电子气只导电与高浓度的电子，不存在硅MOSFET的少数载流子复合（即体二极管反向恢复）的问题。
这与传统的常闭MOSFET或IGBT电源开关完全不同，后者很难用于工业应用，尤其是开关电源领域。
为了应对这一问题，业界通常有两种解决方案。一种是采用共源共栅结构，另一种是在栅极上加入P型氮化镓，形成增强型（常闭）晶体管。
氮化镓该级联结构的结构是耗尽型氮化镓与低压硅MOSFET级联而成。这种结构的优点是，它的驱动与传统的硅MOSFET完全相同（因为它是由然而，这种结构也有重大缺点。首先，硅MOSFET有体二极管，当氮化镓反向传导电流时，存在体二极管的反向恢复问题。

其次，硅MOSFET的漏极连接到耗尽型氮化镓的源极。在硅MOSFET的开通和关断过程中，漏极和源极之间的振荡是源极和氮化镓栅极之间的振荡。由于这种振荡，不可避免地存在氮化镓晶体管可能被错误地接通和断开的可能性。
最后，由于两个功率器件级联在一起，进一步降低整个氮化镓器件的导通电阻的可能性受到限制。

结构的碳化硅MOSFET
常见的平面碳化硅MOS管的结构。为了降低沟道电阻，这种结构通常设计一层很薄的栅氧化层，这给栅氧化层在较高的栅输入电压下带来了可靠性风险。
KeepTops的碳化硅MOSFET产品CoolSiC采用了不同的栅极结构，这种结构被称为沟槽碳化硅MOSFET。采用这种结构后，碳化硅MOSFET的沟道电阻不再与栅极氧化层有很强的相关性，因此在保证较高的栅极可靠性和可行性的同时，导通电阻仍然可以极低。
氮化镓和碳化硅MOSFET的应用推荐
(1) 由于某些原因，所应用的系统必须在超过200KHz的频率下工作。氮化镓晶体管是首选，碳化硅MOSFET是第二选择。如果工作频率低于200KHz，这两种都可以使用。
(2) 所应用的系统从轻负载到半负载都要求极高的效率。氮化镓晶体管是第一选择，其次是碳化硅MOSFET。
(3) 应用系统的最高环境温度高，或难以散热，或要求在满负荷时有极高的效率。碳化硅MOSFET是首选，氮化镓晶体管是第二选择。
(4) 所应用的系统存在较大的噪声干扰，尤其是门极驱动干扰。碳化硅MOSFET是第一选择，氮化镓晶体管是第二选择。
(5) 应用的系统要求功率开关具有较大的短路能力，碳化硅MOSFET是首选。
(6) 对于其他无特殊要求的应用系统，根据散热方式、功率密度以及设计者对两者的熟悉程度等因素，确定选用哪种产品。

审核编辑 黄宇