【導(dǎo)讀】30年前硅功率MOSFET的出現(xiàn)使市場(chǎng)快速接受開(kāi)關(guān)電源，硅功率MOSFET成為很多應(yīng)用的必選功率器件。近些年來(lái)，MOSFET不可避免地進(jìn)入到性能瓶頸期；然而與此同時(shí)，增強(qiáng)型GaN HEMT器件在開(kāi)關(guān)性能和整個(gè)器件帶寬有突破性改善，迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。硅功率MOSFET在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)走到盡頭了嗎？
30年前硅功率MOSFET的出現(xiàn)使市場(chǎng)快速接受開(kāi)關(guān)電源，硅功率MOSFET成為很多應(yīng)用的必選功率器件。近些年來(lái)，MOSFET不可避免地進(jìn)入到性能 瓶頸期；然而與此同時(shí)，增強(qiáng)型GaN HEMT器件在開(kāi)關(guān)性能和整個(gè)器件帶寬有突破性改善，迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。硅功率MOSFET在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)走到盡頭了嗎？
擁有30年發(fā)展史的硅功率MOSFET
功率MOSFET作為雙極晶體管的替代品最早出現(xiàn)于1976年。與那些少數(shù)載流子器件相比，這些多數(shù)載流子器件速度更快、更堅(jiān)固，并且具有更高的電流增益。因此開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換技術(shù)得以真正商用化。早期臺(tái)式電腦的AC/DC開(kāi)關(guān)電源是最早使用功率MOSFET的批量消費(fèi)產(chǎn)品之一，隨后出現(xiàn)了變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、熒光燈、DC/DC轉(zhuǎn)換器等數(shù)千種如今已經(jīng)深入我們?nèi)粘Ｉ畹钠渌鼞?yīng)用。
國(guó)際整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。這種器件具有100V的漏極-源極擊穿電壓和0.1Ω的導(dǎo)通電 阻，樹(shù)立了那個(gè)時(shí)代的基準(zhǔn)。由于裸片尺寸超過(guò)40mm2，價(jià)格高達(dá)34美元，因此這種產(chǎn)品沒(méi)有立即廣泛地替代傳統(tǒng)的雙極晶體管。
多年來(lái)許多制造商持續(xù)推出了許多代功率MOSFET產(chǎn)品。30年多來(lái)，基準(zhǔn)基本上每年都會(huì)更新。至寫(xiě)這篇文章時(shí)，100V基準(zhǔn)公認(rèn)為是英飛凌的IPB025N10N3G所保持。與IRF100的4Ω–mm2品質(zhì)因數(shù)(FOM)相比，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。這個(gè)值幾乎已經(jīng)達(dá)到硅器件的理論極限。
不過(guò)改進(jìn)仍在持續(xù)。例如，CoolMOS器件和IGBT的導(dǎo)通性能已經(jīng)超過(guò)了簡(jiǎn)單垂直型多數(shù)載流子MOSFET的理論極限。這些創(chuàng)新在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可能還會(huì)繼續(xù)，并且會(huì)充分利用功率MOSFET的低成本結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練有素的設(shè)計(jì)師，而這些設(shè)計(jì)師經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐后已經(jīng)學(xué)會(huì)如何有效發(fā)掘電源轉(zhuǎn)換電路和系統(tǒng)的性能。
開(kāi)啟GaN新時(shí)代
HEMT(高電遷移率晶體管)GaN晶體管最早出現(xiàn)于2004年左右，當(dāng)時(shí)日本的Eudyna公司推出了一種耗盡型射頻晶體管。通過(guò)在碳化硅基板上使用GaN，Eudyna公司成功生產(chǎn)出為射頻市場(chǎng)設(shè)計(jì)的晶體管。HEMT結(jié)構(gòu)基于的是1975年最先由T Mimura et al描述，并且在1994年再次由M. A. Khan et al描述的一種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象展示了接近AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面之間接口處異常高的電遷移率。將這種現(xiàn)象應(yīng)用于碳化硅上生長(zhǎng)的氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)出在數(shù)兆赫茲頻率范圍內(nèi)的基準(zhǔn)功率增益。2005年，Nitronex公司推出第一種耗盡型射頻HEMT晶體管，這種晶體管利用硅基上生成的GaN(6)晶圓制造，采用的是公司自己的SIGANTIC技術(shù)。
隨著另外幾家公司參與市場(chǎng)，GaN射頻晶體管在射頻應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)闊步前進(jìn)。但這個(gè)市場(chǎng)之外的接受性非常有限，主要原因是器件成本和耗盡型操作的不方便。
圖1：硅基GaN器件具有與橫向型DMOS器件類(lèi)似的非常簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，可以在標(biāo)準(zhǔn)CMOS代工廠(chǎng)制造。
突破屏障
30年的硅功率MOSFET歷史告訴我們，控制突破性技術(shù)的普及率有四大關(guān)鍵因素：
1．這種技術(shù)能否支持重大的新功能?
2．這種技術(shù)是否容易使用?
3．這種技術(shù)對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是否極具成本效益?
4．這種技術(shù)是否可靠?
在接下來(lái)的章節(jié)中我們將根據(jù)上述四條準(zhǔn)則展開(kāi)討論能夠替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶體管之現(xiàn)狀。然后我們會(huì)進(jìn)一步了解GaN的近期開(kāi)發(fā)計(jì)劃，并預(yù)測(cè)它們對(duì)電源轉(zhuǎn)換行業(yè)的影響。
GaN功率晶體管支持的新功能
增強(qiáng)型GaN HEMT器件(eHEMT)能支持的最大新功能是開(kāi)關(guān)性能和整個(gè)器件帶寬的突破性改善(見(jiàn)圖2)。GaN擁有比硅高得多的關(guān)鍵電場(chǎng)，因此這種新器件的漏極至源極之間可以承受高得多的電壓，而對(duì)導(dǎo)通電阻的負(fù)面影響卻很小。
圖2：宜普公司增強(qiáng)型GaN功率晶體管的增益與頻率關(guān)系曲線(xiàn)。
在功率MOSFET中，在器件從導(dǎo)通到關(guān)斷(或從關(guān)斷到導(dǎo)通狀態(tài))所需的器件傳導(dǎo)率和電荷數(shù)量之間需要做一個(gè)基本的權(quán)衡。從這種權(quán)衡可以推導(dǎo)出稱(chēng)為RQ乘積的品質(zhì)因數(shù)。這個(gè)指標(biāo)被定義為器件的導(dǎo)通電阻乘以在正常工作電壓和電流條件下開(kāi)關(guān)器件所必需的向柵極提供的總電荷量。事實(shí)表明，這一指標(biāo)的改善有助于提高高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。RQ的絕對(duì)值一般也反映了實(shí)際電路中可以實(shí)現(xiàn)的最小脈寬。雖然過(guò)去幾年中RQ乘積得到了很大的改善，但硅功率MOSFET的品質(zhì)因數(shù)仍未真正接近市場(chǎng)上已經(jīng)推出的第一代eHEMT器件。圖3對(duì)額定電壓為100V和200V的基準(zhǔn)硅器件和GaN器件作了比較。
圖3：100V和200V的基準(zhǔn)硅功率MOSFET和GaN的RQ乘積比較
