耗盡型(D-mode)GaN器件結構,耗盡型器件是一種常開器件,即在不加控制電壓(Vgs=0V)的情況下,器件是開通的狀態,從下面結構圖可以看出氮化鎵晶體管是通過兩種不同禁帶寬度的材料—這里是GaN和AlGaN,在兩種材料(異質結)交界面形成的二維電子氣來形成類似的導電溝道進行導電。
< 耗 盡 型 GaN 器 件 的 結 構 >
其優勢是,D-mode GaN器件,結構簡單、工藝易于實現,門極可靠性高;更好地保留了異質結的結構,從而保證了二維電子氣密度。
但常開器件,在功率系統中使用并不方便,要想同常規的MOSFET和IGBT控制方式相同,則需要對器件進行改進,其中一種是采用與低壓硅MOSFET的級聯結構,如下是采用級聯結構的GaN器件結構原理圖和代表符號,它是低壓MOSFET和高壓GaN的折疊式結構。
< 級 聯 型 GaN 器 件 的 表示 >
由于引入低壓MOSFET,提高了門極閾值電壓,降低了誤開通風險,再者由于低壓MOSFET的也具有良好的品質因數(FOM),因此不會影響GaN HEMT的速度,這種混合器件也具有:低Rdson、低彌勒效應、高速開關等優點;其缺點是,引入的二極管具有反向恢復的問題。
增強型(E-mode)GaN器件結構,同增強型MOSFET一樣,增強型GaN器件在不加門極控制電壓(Vgs=0V)的情況下,是常閉狀態。
< 增 強 型 GaN 器 件 的 結 構 >
其原理是對柵極進行P摻雜,保證柵極處于低電位時,二維電子氣(2DEG)導電溝道沒有建立,器件處于關斷狀態,通過改變柵極偏置電壓來控制溝道中的二維電子氣的形成與否,以此實現對器件電流的調制,只要二維電子氣溝道建立,則如同我們使用的Si MOSFET。
其優勢是如上的方便控制之外,還有其并無PN結的二極管結構,因此沒有反向恢復的問題,同時表現出良好的品質因數(FOM);但增強型器件的結構相對復雜,柵極存在穩定性和漏電流問題。
三種GaN HEMT的符號表示
< GaN HEMT 器 件 的 符 號 >