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『ChinaAET电子技术应用』【学术论文】GaN FET的结构、驱动及应用综述


随着电力电子装置的小型化和轻量化 ， 宽禁带半导体器件GaN FET优于Si器件的特性使其在电力电子领域的应用受到广泛关注 。 在GaN FET的发展中 ， 其结构和驱动对其安全应用至关重要 。 首先介绍了目前GaN FET器件的主要结构、工作原理及其产品现状；其次 ， 总结了其驱动电路的隔离方式、常用的分立式驱动电路和集成式驱动电路的结构及原理；最后 ， 对GaN FET在电力电子领域的应用情况进行了概述 。
中文引用格式：伍文俊 ， 兰雪梅. GaN FET的结构、驱动及应用综述[J].电子技术应用 ， 2020 ， 46(1)：22-29 ， 38.
英文引用格式：Wu Wenjun ， Lan Xuemei. Overview on GaN FET structure, driving and its application[J]. Application of Electronic Technique ， 2020 ， 46(1)：22-29 ， 38.
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引言
氮化镓(GaN)为第三代宽禁带半导体材料 ， 在高温、高压、高频等应用场合其半导体器件的特性都要优于Si基半导体器件 ， 因此 ， 在电力电子的应用领域备受瞩目 。
用GaN材料制成的功率器件GaN FET具有低的击穿电压、低的阈值电压、低的栅极电荷Qg ， 其开关频率高 ， 导通电阻小 。 GaN FET优越的特性与其器件结构有极大的关系 。 但是它的缺点也不可忽视 ， 在高频应用场合表现极为明显 ， 比如其对寄生参数极其敏感 ， 高频使用时极易使栅极电压产生振荡 ， 引起栅极过电压 ， 导致器件工作不稳定 ， 甚至不安全 。 因此相较于传统的Si基半导体器件的驱动电路 ， GaN FET的驱动要求更为严苛 。 GaN FET的进步、应用的发展与其器件结构和驱动电路有密不可分的联系 ， 因此 ， 其器件结构和驱动电路的研究很有意义 。 本文将对当前国内外GaN FET的器件结构、驱动电路及其在电机驱动、LED驱动、光伏逆变器、POL等场合中的应用进行综述 。
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GaN FET的器件结构及工作原理
GaN FET器件的结构目前主要有耗尽型(Depletion mode ， D-mode)和增强型(Enhancement mode ， E-mode) 。 增强型GaN FET又分单体GaN和Cascade GaN(共栅共源) 。
1.1 耗尽型GaN FET
耗尽型GaN FET的器件结构如图1所示 。 耗尽型GaN FET采用Si材料作为GaN FET的基片 ， 在Si基片基础上生长出高阻性的GaN晶体层 ， 即氮化镓通道层(GaN channel) 。 一般在GaN层和Si衬底层之间添加氮化铝(AIN)绝缘层作为氮化镓缓冲层(GaN buffer) ， 将器件和衬底隔离开来 。 AlGaN层存在GaN层和栅极(G)、源极(S)和漏极(D)之间；AlGaN层和GaN层之间可以产生具有高电子迁移率、低电阻特性的二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas ， 2DEG) ， 且它的浓度随AlGaN厚度先线性增加 ， 然后达到饱和 。
『ChinaAET电子技术应用』【学术论文】GaN FET的结构、驱动及应用综述
本文插图
与Si传统器件不同 ， 耗尽型GaN FET由于氮化物极强的极化效应 ， AlGaN/GaN异质结可以通过自发极化和压电极化效应在其界面形成很高浓度2DEG导电沟道 ， 在零栅压下 ， 器件处于导通状态 。 因此往往需要负压关断 。 耗尽型GaN FET不同于Si MOSFET的是 ， 由于其栅极下方不存在与S极连接的P型寄生双极性区 ， 因此没有寄生体二极管 ， 故而器件开关损耗小、具有对称的传导特性 。 因此GaN FET可由正栅源电压V GS 或正栅漏电压V GD 驱动 。
1.2 增强型GaN FET
对于耗尽型GaN FET ， 要关断器件 ， 必须加负栅压 。 这意味着电路中一旦有耗尽型GaN FET ， 就会增加栅极驱动设计的复杂性 ， 而且易发生误导通 ， 有直通的潜在威胁 ， 使电路稳定性和安全性降低 。 增强型GaN FET则相反 ， 只有加正偏压才会导通 ， 减小了电路复杂性 ， 稳定性和安全性也较好 。 目前 ， 增强型GaN FET主要是在耗尽型高电子迁移率晶体管(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor ， GaN HEMT)结构的基础上改进而成 。 目前主要的增强型GaN FET结构方案包括：P型栅、凹槽栅、Cascode结构等 。


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