氮化镓GaN FET和HEMT是什么？它们如何工作？

氮化镓GaN FET和HEMT是什么？它们如何工作？

氮化镓、GaN FET 或 GaN 晶体管越来越多地用于许多功率模块和器件以及射频功率电路设计。通常，术语 GaN HEMT 和 GaN 晶体管可以互换使用。

氮化镓非常高的电子迁移率，GaN 能够制造具有低导通电阻值和非常高的开关频率能力的半导体器件。

       这些优势意味着 GaN FET 被用于许多新的电子电路设计中，从电力系统、电动汽车和可再生能源应用到射频功率放大器、其他射频设计电路等。

       GaN FET 使用两种半导体材料之间的界面来产生称为 2DEG 的非常薄的区域，以提供非常高水平的电子迁移率，从而形成 GaN HEMT 或高电子迁移率晶体管。

通常 GaN 晶体管技术用于制造单片微波 IC，即在微波频率下提供高水平性能的 MMIC。

什么是氮化镓

氮化镓是一种化合物半导体材料，使用元素周期表中 III 和 V 族的材料。物理上，该材料非常坚硬，努氏硬度系数为 14.21 GPa，GaN 具有其他一些有趣的物理属性，但这里感兴趣的是电学特性。氮化镓具有 3.5eV 的宽带隙，与碳化硅非常相似，这使得它非常适合用作许多半导体器件的原材料。 GaN 具有一些非常有用的特性，使其成为许多电源应用的理想选择。它可以承受高工作电压，处理高功率，并且可以在高频下工作，使其成为从移动通信、5G、6G 等到航空航天和卫星通信的许多射频应用的理想选择。

对于 GaN 电子元件本身的制造，氮化镓需要形成在通常被称为伪基板的东西上，由于化学原因，不可能制造 GaN 本身的基板。通常将 GaN 沉积在硅或碳化硅上，以得到硅上 GaN，通常称为 Si 上 GaN 或碳化硅上 GaN，称为 GaN on SiC。

硅基氮化镓器件比碳化硅基氮化镓器件便宜，但碳化硅基氮化镓具有许多优势：

GaN on SiC 具有更高的热导率：   由于碳化硅的热导率更高，整体 GaN on SiC 具有更高的热导率，通常是硅上 GaN 的 3 倍。这意味着与相同几何形状的硅基氮化镓器件相比，碳化硅基氮化镓器件具有更高的效率、更高的可靠性和更高的功率密度。

碳化硅具有较低的相对介电常数：碳化硅   的较低相对介电常数意味着 SiC 上的 GaN 器件可以具有比硅上 GaN 器件更高的带宽。

基材的另一种可能性是合成金刚石。这提供了高水平的导热性，但成本远高于硅基氮化镓和 SiC 基氮化镓。

什么是 2DEG

本质上，2DEG 代表二维电子气，它是 HEMT 技术背后的核心概念。

下面解释这背后的基本概念。

GaN HEMT 概念

GaN FET 或 GaN 晶体管本质上是高电子迁移率晶体管或 HEMT。HEMT 的概念已为人所知多年，并已用于其他 FET 技术。

氮化镓的化学结构称为“纤锌矿”结构。正是这种结构是 GaN 晶体管进行 HEMT 操作的关键。

GaN 晶体的纤锌矿结构赋予材料压电效应。这主要是由于晶格内的带电元素而实现的。如果结构受到应变，那么变形将导致晶格中产生电场的原子发生非常小的位移：应变水平越高，产生的电场就越大。

当在氮化镓GaN晶体上生长氮化铝镓AlGaN层时，两个晶格之间的界面不完全匹配，因此建立了应变。

       该应变诱导二维电子气，2DEG。这种二维电子气具有高导电性，因为电子被限制在界面处非常小的区域内。这实际上将电子迁移率从普通 GaN 中的约 1000 cm 2 /V˙s 翻倍到 2DEG 区域内的 1500 和 2000 cm 2 /V˙s 之间。这种高电子浓度和迁移率是 HEMT 的基础，在这种情况下是 GaN HEMT。

发现 2DEG 的质量对沿界面的电子传输有显着影响，因此对最终器件的性能有很大影响。

通过二维区域（实际上是通道）的电子流动由 FET 以正常方式的栅极电位控制。

GaN晶体管结构和操作

所有 GaN FET 或 HEMT 都采用相同的基本技术，并利用 HEMT 结构及其二维电子气区域为器件提供基本操作模式。

GaN HEMT 有耗尽模式和增强模式两种。

耗尽型：   耗尽型GaN晶体管常导通；为了将其关闭，必须将相对于漏极和源极的负电压施加到栅极。

增强模式：   增强模式或 e-mode FET 是那些通常关闭的。它们通过向相对于漏极和源极的栅极施加正电压来开启。

自然，两种类型的实际 FET 的结构略有不同。这些电子元件的不同制造商也采用了多种方法，但基本操作原理完全相同。

耗尽型 GaN 晶体管

耗尽型 GaN HEMT 的基本结构由三个电极组成，即源极、漏极和栅极，这与场效应晶体管通常预期的一样。

制造源极和漏极，因此它们不位于 AlGaN 层上，而是直接与 GaN 区域接触，因此与 2DEG 接触。

       由于这是耗尽型 HEMT，因此会在漏极和源极之间产生短路。

为了减少通过 2DEG 的电子流，相对于漏极和源极向栅极施加负电位，这会耗尽电子沟道，从而降低沟道电导率。

有许多方法可以制造这些设备。可以通过使用镍-金或铂等细节直接在 AlGaN 顶部沉积金属层来创建肖特基栅电极。创建了一个肖特基势垒，可以控制沟道电导率。

删除模式 GaN HEMT 也已使用绝缘层制造，然后在其上沉积金属栅极。这种方法与硅 MOSFET 技术有许多相似之处。

虽然耗尽型晶体管适用于许多电子电路设计，但它们往往不用于电力系统，因为不建议在电力系统中使用通常可用的大电流源，而设备在开启时会短路。

增强型 GaN 晶体管

有几种方法已用于创建增强型 GaN 晶体管。通常，它们在制造过程中涉及更多一些，但它们往往被广泛使用。

有五种主要结构可用于增强型 GaN FET。它们是：级联混合、直接驱动混合、注入栅极、pGaN 栅极和凹入栅极。

一些主要的结构技术如下所述：

注入栅极：创建增强型 GaN FET 的一种方法是将氟原子注入栅极区域中的 AlGaN 势垒层。氟原子在 AlGaN 层中产生负电荷，这会耗尽该区域 2DEG 平面的电子。

该区域顶部的肖特基栅极提供控制，因为当施加正偏压时，电子将被吸引回该区域的 2DEG 平面并且电流将流动。在频道中。

凹栅结构： 凹栅结构是通过减薄 2DEG 平面上方的 AlGaN 势垒区而形成的。这降低了该区域中由压电效应产生的电压。达到一个点，晶体结构中的应力产生的电压小于肖特基金属栅极的内置电压，并且在零偏压的情况下，2DEG 平面在此处被消除。

如果在栅极上施加正偏压，则电子会被吸引回两种半导体材料之间的界面，并且电流能够根据偏压水平流动。

随着 GaN 半导体技术的快速发展，因为它为射频设计和许多电源设计的设计带来了优势，未来几年将会有更多的发展以及设备的新格式和结构。

GaN晶体管应用

GaN HEMT 或晶体管技术用于电子电路设计和射频设计的许多领域。所生产的 GaN 晶体管的参数意味着它们适用于需要高功率、高频或高性能或这些参数的任意组合的许多不同应用。

电源系统：从开关模式电源、电源开关、电动汽车等需要电源开关器件的所有领域，GaN HEMT 都适用于其中的许多应用。这些器件的快速开关和低导通电阻意味着效率水平很高。高击穿电压还意味着可以实现相对高电平的切换。

射频功率放大器：高功率能力和高速的结合意味着 GaN FET 技术是射频功率放大器的理想选择。

GaN FET 技术具有许多优势，从高可靠性、高效率水平到在高频下工作的能力。因此，GaN 技术用于许多 RF 功率放大器，用于各种应用，包括使用它的移动通信，特别是用于 5G、6G 等的基站。它还用于具有高可靠性和弹性的卫星应用以及可以返回的高效率水平是非常令人感兴趣的。

GaN RF 开关：GaN FET 的另一个应用是作为 RF 开关。在许多情况下都需要射频切换，这些电子元件提供了切换射频电路的理想方式。它们能够处理比同样用于 RF 开关设计的 GaAsFET 更高的功率水平。

GaN FET 能够使用与 GaAsFET 开关相同的基本射频设计架构，但会改变电子注释值等。作为射频开关，这些 GaN 晶体管由于其低导通电阻而能够提供低开关损耗，它们具有高隔离度、出色的线性度，并且它们可以处理比 GaAsFET 高得多的功率水平。

GaN 低噪声放大器：GaN FET 的高频能力意味着它们不仅可以作为功率放大器运行，还可以在接收端作为前端低噪声放大器 LNA。在这个角色中，这些电子元件能够表现良好，提供低噪声系数，这是射频电路设计中这个角色的关键。

然而，鉴于它们的高功率能力和总体稳健性，它们能够承受高输入功率水平，这与 GaAsFET 不同，GaAsFET 很容易受到过载和 ESD 的影响。因此，GaN FET 开始作为众多示例之一用于雷达装置。

它们对 RF 电平的高耐受性的一个优点是可能并不总是需要循环器。由于环行器会引入损耗，这会降低整体接收器灵敏度并吸收一些发射器功率。

GaN 混频器：氮化镓 FET 也可用于高性能射频混频器。在这里，这些电子元件可以提供的高线性度及其对高功率水平的弹性，意味着它们正在许多新的射频设计中取代基于 GaAsFET 的混频器。

MMIC：GaN FET 技术也用于许多单片微波 IC、MMIC。由于 MMIC 需要在各种 RF 设计模块中扩展其频率范围，GaN 技术非常适合用于提供各种 RF 功能的 MMIC。

GaN技术在许多领域都得到了应用，随着技术的进一步发展，使用GaN技术的电子元件总是有可能在其他领域得到应用。

氮化镓技术在功率和射频电路设计的许多领域变得越来越普遍。这些设备的成本仍然高于使用旧技术的同类设备，但收益有时会超过成本损失，并且在许多情况下会降低产品的总体成本。因此，GaN FET 或 GaN HEMT 出现在许多射频设计以及许多新的电源系统电路设计中。

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