За последнее десятилетие нитрид галлия (GaN) прошел путь от идеи до коммерческого продукта. В то время как продукты GaN по-прежнему не имеют цепочки поставок и производственных возможностей, которые есть у кремниевых продуктов, многие в отрасли стремятся к дальнейшему развитию инфраструктуры GaN. На этой неделе Rohm Semiconductor объявила, что в сотрудничестве с Ancora Semiconductors два ее транзистора GaN направляется в массовое производство. В этой статье мы сравним существующие технологии GaN и кремния и обсудим 650-вольтовые GaN транзисторы Rohm с высокой подвижностью электронов (HEMT).
GaN HEMT на 650 В Rohm
GaN против кремния: напряжение пробоя
Благодаря уникальным свойствам материала транзисторы на основе GaN обладают рядом ключевых преимуществ по сравнению с транзисторами на основе кремния. Одно из этих ключевых преимуществ заключается в том, что полевые транзисторы на основе GaN выдерживают гораздо более высокое напряжение пробоя, чем кремниевые полевые транзисторы. В полупроводнике ширина запрещенной зоны материала определяет разницу энергий между самым высоким уровнем энергии в валентной зоне и самым низким уровнем энергии в зоне проводимости. Другими словами, ширина запрещенной зоны определяет количество энергии, которое требуется для возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости.
Запрещенная зона полупроводника. Изображение предоставлено Energy Education
GaN имеет гораздо большую ширину запрещенной зоны (3,2 эВ), чем у кремния (1,1 эВ). Практический результат этого различия заключается в том, что для возбуждения электрона в подложке GaN требуется значительно больше энергии, чем в подложке из кремния. Применительно к транзисторам это означает, что GaN может предложить значительно более высокое напряжение пробоя (другими словами, количество напряжения, которое он может выдержать, прежде чем выйдет из строя), чем кремний. По этой причине GaN стал чрезвычайно популярным в силовой электронике, где высокие напряжения необходимы. На самом деле поле пробоя у GaN составляет 3,3 МВ/см, а у кремния — 0,3 МВ/см, что составляет 10-кратную разницу.
GaN против кремния: эффективность
Помимо напряжения пробоя, GaN также имеет преимущество энергоэффективности по сравнению с кремнием. GaN имеет гораздо более высокую подвижность электронов, чем кремний, а это означает, что электроны могут проходить через GaN более свободно, чем через кремний. В контексте транзистора это означает, что полевые транзисторы GaN имеют более низкий RDS(on), чем кремниевый транзистор. Это непосредственно приводит к более низким потерям I2*R, когда полевой транзистор находится в состоянии проводимости, что делает полевые транзисторы на основе GaN более энергоэффективными во время проводимости.
Коммутационные потери и потери проводимости в транзисторе. Изображение предоставлено Haque и соавторами
Кроме того, транзисторы GaN имеют лучшие характеристики переключения, чем их кремниевые аналоги. В частности, большая подвижность электронов и уменьшенная паразитная емкость полевых транзисторов GaN позволяют использовать более высокие частоты переключения. При более высоких частотах переключения транзистор будет проводить меньше времени в линейной области, где возникают наибольшие потери при переключении. Эффективность GaN FET делает их полезными в силовой электронике, где потери потенциально велики, а управление температурой является ключевой проблемой.
Транзисторы Rohm 650 В GaN HEMT
Компания Rohm объявила, что два ее предложения GaN HEMT поступили в массовое производство. GNP1070TC-Z и GNP1150TCA-Z — похожие транзисторы, оба обладают напряжением пробоя 650 В и предназначены для приложений силовой электроники
Зависимость тока стока GNP1070TC-Z от напряжения сток-исток. Изображение предоставлено Rohm
Наряду с VDss на 650 В, GNP1070TC-Z предлагает типичный RDS(on) 70 мОм, заряд затвора 5,2 нКл и максимальный непрерывный ток стока 20 А. GNP1150TCA-Z, с другой стороны, имеет RDS(on) 150 мОм, заряд затвора 2,7 нКл и максимальный ток стока 11 А. год.