用于低溫應(yīng)用的GaN器件

氮化鎵功率器件由于其優(yōu)異的性能而被用于越來(lái)越多的應(yīng)用中。本文解釋了要考慮的主要特征。一項(xiàng)可能的研究是將 GaN 用于低溫應(yīng)用，例如航空、太空和超導(dǎo)系統(tǒng)，特別是在不同電路配置中低于液氮溫度 (77 K) 的工作條件。在本文中，報(bào)告了一些關(guān)于低溫環(huán)境中不同開(kāi)關(guān)和電壓損耗配置的研究。作者研究了四個(gè)商用 GaN 器件在 400 K 和 4.2 K 之間的寬溫度范圍內(nèi)的性能。據(jù)作者介紹，正如原始文章中所報(bào)道的，所有測(cè)試的器件都可以在低溫下成功運(yùn)行，性能整體有所提高。然而，不同的 GaN HEMT 技術(shù)意味著器件柵極控制的顯著變化。

GaN HEMT

在本博客中，我們討論了 GaN 在溫度接近 150?C 的各種應(yīng)用中與硅相比的改進(jìn)性能。然而，許多應(yīng)用需要能夠在低至幾開(kāi)爾文的溫度下運(yùn)行的設(shè)備——考慮新能源用途、能量存儲(chǔ)、超導(dǎo)體以及航空和太空應(yīng)用。

隨著成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的大幅增加，電力系統(tǒng)通常被絕緣并保持在環(huán)境溫度下。因此，直接在相關(guān)溫度下運(yùn)行系統(tǒng)將是非常有利的。

當(dāng)硅和寬禁帶器件（如碳化硅和垂直 GaN）的溫度下降時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)重要現(xiàn)象，如文章中所述：隨著高性能參數(shù)電子-聲子相互作用的減小，載流子遷移率上升。此外，這種下降反映在載流子密度的下降中，這導(dǎo)致溝道電阻的增加和向正閾值電壓 (V _th ) 水平的轉(zhuǎn)變。

由于載流子是由 AlGaN 勢(shì)壘和 GaN 層之間的極化失配產(chǎn)生的，因此 GaN HEMT 不需要任何摻雜即可在溝道中獲得高濃度的電子。溫度與這種情況無(wú)關(guān)。

商業(yè)器件（ EPC和GaN 系統(tǒng)）的特性評(píng)估已發(fā)表在多篇研究論文中，證明了在 77 K 溫度下性能的提升。這項(xiàng)工作的作者著眼于標(biāo)準(zhǔn) GaN 拓?fù)涞男阅?，包括柵極注入晶體管(GIT) 和級(jí)聯(lián)，以及器件傳導(dǎo)和軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)損耗等特性，從 400 K 到 4.2 K。原始 IEEE 文章中考慮的器件如圖 1 所示。

圖 2 顯示了作者用來(lái)進(jìn)行測(cè)量的方案。使用 PID 控制器，溫度在 400 K 和 4.2 K 之間變化，公差為 0.1 K，測(cè)量在真空條件下進(jìn)行（10E-4 mbar，300 K）。

圖 1：用于測(cè)量的 GaN 器件（來(lái)源 IEEE）

圖 2：(a) 用于器件表征的低溫探針臺(tái)；(b,c) GaN 器件的電路/示意圖（來(lái)源：IEEE）

基本上，描述和比較了四種商業(yè)設(shè)備，每一種都具有相同的電流和電壓，但設(shè)備技術(shù)不同。為了同時(shí)提供直流器件和開(kāi)關(guān)特性，采用了兩個(gè)晶體管。一個(gè) 10-nF（多層陶瓷）C _ref電容器連接到一個(gè)器件的柵極和源極端子，以執(zhí)行 Sawyer-Tower (ST) 測(cè)試以評(píng)估器件開(kāi)關(guān)損耗（圖 2）。有關(guān) ST 方法的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)閱讀本文。

圖 3：(a) T3 從 400 到 4.2 K 的傳輸特性；(b) 作為四個(gè)器件的溫度函數(shù)的 Vth；(c) 比較器件的導(dǎo)通電阻與溫度的關(guān)系；(d) 四個(gè)器件的室溫值歸一化 Ron（來(lái)源：IEEE）

從作者的研究中，可以在圖 3 中觀察到傳遞函數(shù)，以及因此特性的正向偏移。另一方面，基于 1mA I _ds的閾值電壓表明解決方案之間存在顯著差異。隨著溫度下降，GIT 器件（T3 和 T4）的 V _th保持相對(duì)恒定但緩慢上升。級(jí)聯(lián)共柵顯著上升，但電路的彈性使其能夠以高柵極電壓 (V _g ) 驅(qū)動(dòng)，以補(bǔ)償 V _th漂移。V _thT1 從環(huán)境溫度下的 1.6 V 下降到 4.2 K 下的 1 V。這種影響可能會(huì)導(dǎo)致更小的“關(guān)閉”狀態(tài)余量，從而減少誤報(bào)。這種效果可以確保減少“關(guān)閉”狀態(tài)裕度，從而在這些條件下產(chǎn)生誤報(bào)。

圖 3c 中看到的溫度下降表明器件的導(dǎo)通電阻降低。這是由于電子遷移率增加導(dǎo)致電阻降低。然而，這四種器件的這種行為有所不同，表明它們都與 HEMT 技術(shù)相關(guān)，正如作者實(shí)現(xiàn)的歸一化值圖（圖 3 中的 d）所示。技術(shù)之間的這種行為差異對(duì)器件傳導(dǎo)、損耗和驅(qū)動(dòng)電路有直接影響。

根據(jù)電路的工作條件，器件會(huì)受到軟開(kāi)關(guān)或硬開(kāi)關(guān)損耗的影響。_{Soft 通常以 ST 測(cè)量為特征，并且與器件輸出電容 (C oss} )的非理想充放電有關(guān)，并且在高頻下變得很重要。參考電容器上的電壓 (V _ref ) 的測(cè)量允許獲得 Q _oss ，因此考慮到充電和放電路徑之間的滯后循環(huán)，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期 (E _diss )消耗的能量。

正如文章中所指出的，它們的反應(yīng)都不同，這意味著這種差異與捕獲位點(diǎn)的特定能級(jí)緊密相關(guān)。由于每個(gè)制造商經(jīng)常使用自己的結(jié)構(gòu)，因此開(kāi)關(guān)損耗值和溫度特性應(yīng)根據(jù)所使用的 GaN 緩沖混合物和 Si 襯底而有很大差異。這組作者說(shuō)，與傳導(dǎo)損耗相比，軟開(kāi)關(guān)損耗具有中等的溫度依賴(lài)性。

在這種情況下，很難測(cè)量硬開(kāi)關(guān)損耗。主要貢獻(xiàn)由f × E _oss表示（其中f是開(kāi)關(guān)頻率，E _oss是在“關(guān)閉”狀態(tài)下某個(gè)值 V _ds時(shí)存儲(chǔ)在晶體管輸出電容中的能量）和與C _oss放電期間從電路流過(guò)器件通道的外部負(fù)載電流。如原始文章中的圖表所示，E _oss對(duì)硬開(kāi)關(guān)損耗的貢獻(xiàn)在很寬的溫度范圍內(nèi)是相當(dāng)恒定的（T4 的變化更大）。

從分析中可以看出，所有測(cè)試的設(shè)備都可以在低溫下運(yùn)行。不同的 GaN HEMT 技術(shù)經(jīng)歷了設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的變化。


審核編輯：劉清