本帖最后由 秋风式街球 于 2016-9-20 14:23 编辑
在我们日常生活中，过去的三十年里，电源管理效率和成本显示，稳定改进和创新功率MOSFET的结构、技术、电路拓扑结构对电力的需求越来越大。然而，在新世纪，因为硅功率MOSFET渐近接近其理论界限值，发展的速度有所放缓。作为替代双极晶体管的功率场效应管最开始出现在1976年。这些多数器件载流子速度更快，更不稳定，比相对少数载流子有更高的电流增益。因此，开关电源转换成了一个商业现实。交直流开关电源用在早期的台式电脑，是一批大量的最早功率MOSFET的消费者，紧随其后的是变速马达驱动器，荧光灯，直流-直流转换器，以及我们日常的生活的方方面面都有应用。 Efficient Power Conversion Corporation公司1978年11月最早推出了一个功率MOSFET器件IRF100。它有一个100 V漏源极击穿电压和0.1Ω的导通电阻。模具大小超过40平方毫米，34美元的价格，这个产品注定不会广泛地取代珍贵的双极型晶体管。 多年以来，许多家制造商生产了几代功率场效应管。英飞凌生产出100 V基准的器件IPB025N10N3G相比IRF100的电阻率每平方毫米有4Ω，而IPB025N10N3G的电阻率小于平方毫米0.1Ω，这几乎是在硅材料器件的理论极限边缘。但是这还是需要改进，例如，Super Junction设备和IGBTS实现了改进理论极限之外的单一垂直多数载流子MOSFET的电导率。这些创新仍可能持续很长一段时间，肯定会能够利用低成本结构的功率MOSFET以及设计师的良好的习惯和能力。多年以后，已经学会挖掘出每一点功率转换电路和系统的性能。 HEMT(高电子迁移率晶体管)氮化镓(GaN)晶体管最开始出现在2004年，由日本Eudyna公司生产的耗尽型射频晶体管。使用碳化硅(SiC)作为氮化镓基板，Eudyna成功将晶体管带入射频设计市场。T . Mimura等人在1975年第一次描述了基于HEMT结构的现象，1994年由m·a·汗等演示了异常高的电子迁移率，描述为一个二维电子气(2度)之间的界面附近沃甘和氮化镓异质结构界面。这一现象适应氮化镓生长在碳化硅上，Eudyna能够生产出数千兆赫兹级频率范围的基准功率增益。2005年,Nitronex公司介绍第一个耗尽型射频HEMT晶体管以及用SIGANTIC®技术使氮化镓生长在硅晶圆上。 氮化镓射频晶体管继续消耗着进入RF领域市场的其他几家公司。然而，接受这个市场外，一直受限于设备成本以及消耗模式操作的不便。 2009年6月Efficient Power Conversion Corporation(EPC)发布了第一个增强型硅GaN场效应晶体管，专门替代功率MOSFET。这些产品是在以低成本大批量生产使用标准硅制造技术和设施。功率半导体的基本要求是效率、可靠性、可控性和成本效益。没有这些属性，新设备结构就没有经济可行性机会。硅作为许多新结构和材料的接班人，有些被经济成就，其他被很有限或小众接受。下面我们将看看硅、金刚砂、氮化镓之间的比较，谁才是作为下一代功率晶体管的最佳人选。 1950年代末，硅一直以来电源管理的主导材料。在早些时候，半导体硅材料相比锗和硒的优势可表现在以下四个关键方面： 硅的用途不可能在早些时候材料中使用 硅证明更可靠 硅在很多方面更容易使用 硅设备成本较低 所有这些优势源于的它基本物理性质。让我们来看看它其中的一些基本性质，比较与功率材料的候选。table1显示三种半导体材料争夺电源管理市场的四个关键电气性能。
将这些功率晶体管中基本的晶体参数转化为器件性能作为比较的一种方法。功率设备有许多特点，现在的各种功率转换系统，五个的最重要的特征就是：传导效率、击穿电压、转换效率、规模和成本。 使用table1中的数据（并调整增强的移动性的GaN 2DEG），我们可以计算出理论上设备 的最小导通电阻（电导率的倒数），作为击穿电压的函数。 如figure1所示，由于其较高的临界电场强度，碳化硅和GaN的电阻和击穿电压之间，都有一个这样的关系。这是允许设备电气终端更接近一个给定的较小击穿电压要求。GaN相比碳化硅，具有额外的优势：在二维电子气的电子的迁移率提高。这种转化对于一个给定的电阻和击穿的电压而具有较小尺寸。 figure2是硅MOSFET和eGaN FET之间的比较。
一个常见的降压转换器电路的功率损耗，晶体管的电阻是相等的，所以总功率损耗的区别可以归因于Egan FET的优越的开关性能。 Egan设备的横向结构本身的倒装芯片封装，这是一个最小增加电阻和端子电感非常高效的包装解决方案。table2是Egan FET对具有同等的电阻的的大小的MOSFET相比，加上高效LGA芯片规模的双重优势，封装和更小的芯片尺寸在设计PCB 时Egan FET所占体积就显得更加优秀。 Gan基本的晶体管结构如figure3所示。正如任何功率场效应晶体管一样，有栅极、源极和漏极电极。源极和漏极电极穿过顶部的AlGaN层形成与底层的2DEG接触，使得源极和漏极之间短路，直到2DEG中“POOL”的电子耗尽，半绝缘的GaN 晶体可以阻止电流的流动。为了耗尽电子，栅电极 放置在顶部的AlGaN层。这种类型的晶体管称为耗尽型，或D，HFET。 功率转换应用中，因为D装置带来不便，在电源转换器的启动时，一个负偏压必须首先应用于电源设备或导致短路。一个D和E模式FET之间的输出特性比较很显示，如figure4所示，当 Efficient Power Conversion公司推出的第一种E模式（Egan®）FET，显著降低用Gan晶体管设计功率转换系统的难度。 EPC的增强模式的过程从硅晶片开始。薄薄的一层氮化铝（AlN）是生长在硅为种子层一种氮化镓异质结构。然后异质结构铝氮化镓（GaN和AlGaN）在AlN里生长。这一层提供了一个基础上建立的根管。一个非常薄的AlGaN层然后生长在顶部的高阻性的部分。正是这个薄薄的一层创造一个紧张的接口之间的GaN和AlGaN晶体层。这个接口，结合GaN固有的压电性质，创建1个2DEG，具有高流动性和丰富的电子。栅极电极的进一步处理形成在下面的耗尽区门。该结构的一个横截面如figure5所示。额外的金属层被添加到路由电子到栅极，漏极和源极端子（见figure6横截面）。这种结构是重复多次，形成一个电源设备，如figure7所示。
在本文中，我们介绍了一种新的技术，使功率晶体管，使用在硅顶部上生长的氮化镓。增强模式（Egan®）晶体管，与有特性的功率MOSFET非常相似，这些新功能，在高密度封装，电源转换设计，以减少功率损耗，降低系统的大小，提高效率，最终降低系统成本。这是早期几年一个伟大的新技术。
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