氮化镓MOS管与碳化硅MOS管的结构、性能差异分析-KIA MOS管

氮化镓MOS管与碳化硅MOS管的结构、性能差异

作为第三代功率半导体的绝代双骄，氮化镓MOS管和碳化硅MOS管日益引起工业界，特别是电气工程师的重视。之所以电气工程师如此重视这两种功率半导体，是因为其材料与传统的硅材料相比有诸多的优点，如图1所示。

氮化镓和碳化硅材料更大的禁带宽度，更高的临界场强使得基于这两种材料制作的功率半导体具有高耐压，低导通电阻，寄生参数小等优异特性。

当应用于开关电源领域中，具有损耗小，工作频率高，可靠性高等优点，可以大大提升开关电源的效率，功率密度和可靠性等性能。

图1：硅、碳化硅，氮化镓，三种材料关键特性对比

由于具有以上优异的特性，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET正越来越多的被应用于工业领域，且将被更大规模的应用。

氮化镓MOS管结构及其特性

氮化镓MOS管的结构

与硅材料的功率半导体不同，氮化镓晶体管通过两种不同禁带宽度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界面的压电效应形成的二维电子气（2DEG）来导电，如图4所示。由于二维电子气只有高浓度电子导电，因此不存在硅MOSFET的少数载流子复合（即体二极管反向恢复）的问题。

图2：氮化镓导电原理示意图

图2所示的基本氮化镓晶体管的结构是一种耗尽模式(depletion-mode)的高电子移动率晶体管(HEMT)，这意味着在门极和源极之间不加任何电压(VGS=0V)情况下氮化镓晶体管的漏极和元件之间是导通的，即是常开器件。

这与传统的常闭型MOSFET或者IGBT功率开关都完全不同，对于工业应用特别是开关电源领域是非常难以使用的。

为了应对这一问题，业界通常有两种解决方案，一是采用级联(cascode)结构，二是采用在门极增加P型氮化镓从而形成增强型（常闭）晶体管。两者结构如图3所示。

图3：两种结构的氮化镓晶体管

级联结构的氮化镓是耗尽型氮化镓与一个低压的硅MOSFET级联在一起，该结构的好处是其驱动与传统硅MOSFET的驱动完全相同（因为驱动的就是一个硅MOSFET），但是该结构也有很大的缺点，首先硅MOSFET有体二极管，在氮化镓反向导通电流时又存在体二极管的反向恢复问题。

其次硅MOSFET的漏极与耗尽型氮化镓的源极相连，在硅MOSFET开通和关断过程中漏极对源极出现的振荡就是氮化镓源极对门极的振荡，由于此振荡时不可避免的，那么就存在氮化镓晶体管被误开通和关断的可能。

最后由于是两个功率器件级联在一起，限制了整个氮化镓器件的导通电阻的进一步减小的可能性。

碳化硅MOSFET的结构

常见的平面型(Planar)碳化硅MOS管的结构如图4所示。为了减小通道电阻，这种结构通常设计为很薄的门极氧化层，由此带来在较高的门极输入电压下门极氧化层的可靠性风险。

英飞凌的碳化硅MOSFET产品CoolSiC采用了不同的门极结构，该结构称为沟槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其门极结构如图5所示。采用此结构后，碳化硅MOSFET的通道电阻不再与门极氧化层强相关，那么可以在保证门极高靠可行性同时导通电阻仍旧可以做到极低。

图4：平面型碳化硅MOSFET结构示意图

图5：CoolSiC沟槽型门极结构

碳化硅MOSFET的特性

与氮化镓晶体管类似，碳化硅MOSFET同样具有导通电阻小，寄生参数小等特点，另外其体二极管特性也比硅MOSFET大为提升。

图6是英飞凌碳化硅650V耐压MOSFETCoolSiC与目前业界体二极管性能最好的硅材料功率MOSFETCoolMOSCFD7的两项主要指标RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的对比，前一项是衡量体二极管反向恢复特性的指标，后一项是衡量MOSFET输出电容上存储的电荷量的指标。

这两项数值越小，表明反向恢复特性越好，存储的电荷越低（软开关拓扑中，半桥结构上下功率管所需要的死区越短）。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近导通电阻的硅MOSFET，反向恢复电荷只有1/6左右，输出电容上的电荷只有1/5左右。

因此碳化硅MOSFET特别适合于体二极管会被硬关断的拓扑（例如电流连续模式图腾柱无桥PFC）及软开关拓扑（LLC，移相全桥等）。

碳化硅MOSFET还有一项出众的特性：短路能力。

相比硅MOSFET短路时间大大提升，这对于变频器等马达驱动应用非常重要，图7给出了英飞凌CoolSiC、CoolMOS及竞争对手短路能力的对比图。从图可知CoolSiC实现了短路时间长，短路电流小等优异特性，短路状态下的可靠性大大提高。

图11：碳化硅MOSFET和硅MOSFET的性能对比

图12：碳化硅MOSFET短路能力比较

氮化镓和碳化硅MOSFET应用建议

（1）所应用系统由于某些原因必须工作于超过200KHz以上的频率，首选氮化镓晶体管，次选碳化硅MOSFET；若工作频率低于200KHz，两者皆可使用；

（2）所应用系统要求轻载至半载效率极高，首选氮化镓晶体管，次选碳化硅MOSFET；

（3）所应用系统工作最高环境温度高，或散热困难，或满载要求效率极高，首选碳化硅MOSFET，次选氮化镓晶体管；

（4）所应用系统噪声干扰较大，特别是门极驱动干扰较大，首选碳化硅MOSFET，次选氮化镓晶体管；

（5）所应用系统需要功率开关由较大的短路能力，首选碳化硅MOSFET；

（6）对于其他无特殊要求的应用系统，此时根据散热方式，功率密度，设计者对两者的熟悉程度等因素来确定选择哪种产品。

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