Infineon GaN MOSFET介绍(1)

一般市场上提到的第3代半导体,通常泛指WBG产品,而常见的WBG产品为GaN MOSFET与SiC FET二种功率元件。而WBG产品与silicon MOSFET最大的差异为能阶,也就是电子伏特,silicon MOSFET在电子伏特为1左右,而SiC FET在电子伏特为3.X,同时能阶又与耐压相关连,因此GaN MOSFET为高耐压产品。同时GaN MOSFET在电子飘移速度比较快,适合高频切换应用,适合应用在高功率密度产品设计。

一般在评估半导体的特性会利用Qoss/Qrr/Eoss/Qg/VF关键品质因素来当作参考依据

  • Qoss→在soft switching的架构上,Qoss小,则dead time在设计上可以比较短,有效传递能量时间可以增加,有利于提升效率。GaN MOSFET相较于silicon MOSFET有大幅度的减少

  • Qrr→在半桥架构下容易造成硬换相,较小的Qrr可以减少short through的现象发生。GaN MOSFET相较于silicon MOSFET有相当程度的降低

  • Eoss与hard switching相关(例如flyback架构),在硬切影响切换损失。GaN MOSFET相较于silicon MOSFET也是呈现比较小的数值

  • Qg影响驱动损耗,主要影响轻载效率。GaN MOSFET相较于silicon MOSFET有大幅度的降低

  • 由于半导体材料因素,GaN MOSFET相较于silicon MOSFET在Vf值来得略大一些,同时VF与Vgs相关连



当WBG材料尚未发展时,主要的半导体材料以silicon为主。在高频化与高功率密度的产品需求上一般建议使用GaN MOSFET的产品。而SiC FET的产品具有较好的温度特性,适合大功率的产品应用。在三者重叠的部分,则可以针对客户当下的产品规格与成本来选择适当的产品。


由于GaN MOSFET为Normal on的形式,但Normal on对使用者而言在使用上并不是这么方便,因此GaN MOSFET通常会做成Normal off的方式,要达到Normal off一般常见的有Cascode与Enhance mode二种结构

  1. Cascode是在高压GaN串接低压MOSFET,只适合应用在高压的GaN MOSFET产品,不适合中、低压,且为二个die不容易模组化,dv/dt不可太大,以免高压GaN MOSFET比低压MOSFET提前导通,而造成发生低压MOSFET损坏,造成在产品稳定性会有疑虑
  1. Enhance mode适合应用在高、中、低压的GaN MOSFET产品,且为signal die较易模组化

  2. IFX GaN MOSFET产品为Enhance mode结构

下图为GaN MOSFET剖面图,呈现为水平结构形式,在底层(Substrate基质)为silicon结构,厚度约为320um,剩下GaN只占5um的厚度,同时gate、drain与source 都是在最上层,在GaN与AlGaN之间会生成二阶电阻,达到切换速度快与Rds-on低的原因,IFX在gate为P-GaN形式,使其GaN MOSFET由normal-on改为normal-off的状态,GaN MOSFET会有电流塌陷问题,在drain附近长P-GaN层来解决电流塌陷问题(特别是在高电压时),来减少部分空乏的现象的情形。



参考资料来源:www.infineon.com

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