GaN HEMT 如何協助提高電源效率

我要坦白一件事。我在電子產業服務的多年經歷中，無論是身為實際動手的電路設計師還是編輯者，我發現大多數工程師 (包括我自己) 對半導體材料、製程和製造技術的深度細節並不感興趣。當然，還是有人高度期待一年一度的 IEEE ISSCC (國際固態電路大會)，並且關心製程細節和創新，他們的努力很重要，不僅令人印象深刻也受人欽佩。

然而，大多數設計工程師真正想知道的並非裝置的製造方法，而是功能，包括優勢、劣勢、權衡和其他關鍵屬性。「我的製程更精簡、更優秀、功耗更低、速度更快，還有可能比你們的更便宜。」這種說法本身並無吸引力；相反地，對於大多數潛在使用者來說，真正重要的是當中的零件及規格表中的數據和圖表。

儘管有這種觀點，但現實情況是，製程技術依舊是半導體效能和能力要有所進步的重要基礎。在當前的電動裝置領域尤其如此，因為新型或增強的製程經過商業化後，正在重新定義切換式電路及其系統可以完成的工作。應用範圍從小型智慧手機充電器到電動車及其充電站。我認為這些進展具有「革命性」，但這個詞已經過度使用，失去真正的意義。

寬能隙裝置是新功能的核心

促成這個變化的基礎在於已經有採用碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 材料和製程製造的寬能隙 (WBG) 功率半導體。與傳統的純矽 (Si) 裝置相比，WBG 裝置具有多種優勢，且在許多情況下，正在取代純矽裝置或促成以往不可行的新設計 (圖 1)。

圖 1：GaN 和 SiC 架構功率裝置的相對屬性指出，與純矽元件相比，這些較新的 WBG 元件具有更吸引人的效能指數。(圖片來源： Scholarly Community Encyclopedia)

具體而言，GaN 架構的高電子遷移率電晶體 (HEMT) 在切換頻率、額定功率、熱能力和效率方面都比傳統的矽基裝置更優秀，而這些全都是改進進階電源轉換器效能的關鍵因素。這些優勢來自於 GaN 固有的 WBG 電壓、高臨界崩潰電場、高導熱性和高電子飽和速度。GaN 架構電源切換裝置可以提供小「導通」電阻、高電流能力和高功率密度。

市售的 GaN 記夠電源切換裝置提供 100 V 至將近 1000 V 的工作電壓範圍、高切換頻率、高工作溫度和降低的切換損耗。GaN 的效能指數高於 SiC；然而，這種材料更難結晶和加工。

HEMT 就屬於 GaN 技術之一；在此過程中，元素僅會在基板表面形成，而 GaN 晶體也才得以在此生成。目前，市售的主要 GaN FET 都屬於橫向 HEMT。

在 GaN FET 的橫向結構中，有一個矽基板、一個 GaN 緩衝器、一個氮化鋁鎵 (AlGaN) 阻障、三個連接端子 (源極、閘極和漏極)、一層鈍化層 (保護介電質) 和一個從源極延伸的場板 (圖 2)。AlGaN 阻障和 GaN 緩衝器的異質接面 (兩個不同半導體之間的接面) 會形成二維電子氣體 (2DEG) 通道。

圖 2：GaN 功率裝置的結構包括多層和一個 2DEG 通道，電流會通過該通道流動或被切斷。(圖片來源：ResearchGate)

此通道具有高電荷密度和遷移率。電流會在 2DEG 通道中流動，但若是 Si MOSFET，電流流動的通道則是源極和漏極之間的空乏區。

請注意，標準 GaN HEMT 通常處於「導通」狀態，這與傳統 MOSFET 通常處於「關斷」狀態不同。若要將 GaN HEMT 調至關斷狀態 (在大多數電路設計中，這樣更容易使用且是首選狀態)，就必須耗盡 2DEG 層，但這又會導致電流停止流動。

因此，GaN 切換裝置提供兩種不同的類型：增強模式 (e-GaN) 和空乏模式 (d-GaN)。空乏模式電晶通常處於導通狀態，需要使用施加在閘極的負電壓來關斷。增強模式電晶體通常處於關斷狀態，需由施加在閘極上的正電壓導通。

SiC 與 GaN 的比較

GaN 和 SiC 之間最顯著的區別在於電子遷移率，這可指出電子在半導體材料中移動的速度有多快。標準矽的電子遷移率為 1500 每伏秒公分² (cm²/volt-s)。然而，SiC 的電子遷移率為 650 cm²/volt-s，而 GaN 的電子遷移率為 2000 cm²/volt-s，這表示 SiC 的電子移動速度比 GaN 和矽還慢。

GaN 的電子移動速度比矽的電子快 30% 以上。憑藉如此高的電子遷移率，GaN 對高頻應用的適用度幾乎是三倍。

此外，GaN 的熱導率為1.3 W/cm-K，比矽的 1.5 W/cm-K 還差。然而，SiC 的導熱率為 5 W/cm-K，因此在傳遞熱負載方面的效率提高近三倍。憑藉此特性，SiC 在高功率、高溫應用中具有強大的優勢。

GaN 和 SiC 可滿足市場上不同的電源需求。SiC 裝置提供高達 1,200 V 的電壓水準和高載流能力。因此非常適合汽車和鐵路機車牽引逆變器、大功率太陽能發電場和大型三相電網轉換器等應用。

相較之下，GaN HEMT 裝置的額定電壓通常為 650 V，可促成 10 kW 以上的高密度轉換器。其應用包括消費性、伺服器、電信和工業電源供應器；伺服馬達驅動器；電網轉換器；以及 EV 車載充電器和 DC-DC 轉換器。

儘管具有差異，但 SiC 和 GaN 技術在 10 kW 以下的某些應用可互相取代。

市售 GaN 裝置凸顯效能

雖然 GaN 架構裝置的開發需要多年的實驗室研發時間，但 GaN 裝置已經投入商業生產十多年。ROHM Semiconductor 的 GNP1070TC-Z 和 GNP1150TCA-Z 650 V GaN HEMT 就是兩個例子，都針對多種電源系統應用進行最佳化 (圖 3)。GNP1070TC-Z 是一款 20 A、56 W 增強模式裝置，具有 70 mΩ 漏源電阻 (R_DS(on))，且閘極電荷 (Q_g) 僅有 5.5 nC (均為典型值)。若是 11 A、62.5 W 裝置 GNP1150TCA-Z 來說，對應的數字分別為 150 mΩ 和 2.7 nC。

圖 3：此為 20 A GNP1070TC-Z GaN HEMT 的內部電路，與 11 A GNP1150TCA-Z 類似；兩者都適合多種 650 V 電源相關應用。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

這兩個元件都是與 Ancora Semiconductors, Inc. 共同開發的成果，其為 Delta Electronics, Inc. 旗下專門開發 GaN 裝置的子公司。這些產品可提供市場領先的效能，有助於在更更多種電源供應器中達到更高的效率和更小的尺寸。

採用 8 引腳 DFN8080K 封裝，尺寸為 8 × 8 × 0.7 mm (圖 4)。

圖 4：儘管 GNP1070TC-Z 和 GNP1150TCA-Z GaN 裝置具有較高的額定電流和電壓，但皆採用兩邊僅有 8 mm 的封裝。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

結論

與傳統的純矽裝置相比，採用 GaN HEMT 的 WBG 功率切換裝置能讓設計人員享有顯著的效能優勢。與 SiC 裝置相比，在工作頻率和散熱方面也具有明顯的優勢；後者在實際情況下士相當重要的考量因素。使用 GaN 元件，如 ROHM Semiconductor 的 20 A/650 V GNP1070TC-Z 和 11 A/650 V GNP1150TCA-Z 等，設計人員就可實作原本不可行，或具有嚴重工作限制的電源轉換器和電源供應器。

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1：寬能隙半導體正在重塑運輸領域

https://www.digikey.com/en/articles/wide-bandgap-semiconductors-are-reshaping-the-transportation-world

2：使用 SiC 與 GaN 電源元件來因應 EV 設計要求

https://www.digikey.com/en/articles/use-sic-and-gan-power-components-ev-design-requirements