耗尽型(D-mode)GaN器件结构,耗尽型器件是一种常开器件,即在不加控制电压(Vgs=0V)的情况下,器件是开通的状态,从下面结构图可以看出氮化镓晶体管是通过两种不同禁带宽度的材料—这里是GaN和AlGaN,在两种材料(异质结)交界面形成的二维电子气来形成类似的导电沟道进行导电。
< 耗 尽 型 GaN 器 件 的 结 构 >
其优势是,D-mode GaN器件,结构简单、工艺易于实现,门极可靠性高;更好地保留了异质结的结构,从而保证了二维电子气密度。
但常开器件,在功率系统中使用并不方便,要想同常规的MOSFET和IGBT控制方式相同,则需要对器件进行改进,其中一种是采用与低压硅MOSFET的级联结构,如下是采用级联结构的GaN器件结构原理图和代表符号,它是低压MOSFET和高压GaN的折叠式结构。
< 级 联 型 GaN 器 件 的 表示 >
由于引入低压MOSFET,提高了门极阈值电压,降低了误开通风险,再者由于低压MOSFET的也具有良好的品质因数(FOM),因此不会影响GaN HEMT的速度,这种混合器件也具有:低Rdson、低弥勒效应、高速开关等优点;其缺点是,引入的二极管具有反向恢复的问题。
增强型(E-mode)GaN器件结构,同增强型MOSFET一样,增强型GaN器件在不加门极控制电压(Vgs=0V)的情况下,是常闭状态。
< 增 强 型 GaN 器 件 的 结 构 >
其原理是对栅极进行P掺杂,保证栅极处于低电位时,二维电子气(2DEG)导电沟道没有建立,器件处于关断状态,通过改变栅极偏置电压来控制沟道中的二维电子气的形成与否,以此实现对器件电流的调制,只要二维电子气沟道建立,则如同我们使用的Si MOSFET。
其优势是如上的方便控制之外,还有其并无PN结的二极管结构,因此没有反向恢复的问题,同时表现出良好的品质因数(FOM);但增强型器件的结构相对复杂,栅极存在稳定性和漏电流问题。
三种GaN HEMT的符号表示
< GaN HEMT 器 件 的 符 号 >