Что такое силовое устройство GaN?

Что такое силовое устройство GaN?

Силовое устройство GaN — это полупроводниковое силовое устройство следующего поколения, сформированное на кристаллах нитрида галлия.

Силовые устройства GaN привлекли большое внимание в последние годы, поскольку они могут работать с более высокой мощностью с меньшими потерями мощности, чем обычные силовые устройства, изготовленные на кремнии с использованием полупроводниковых процессов. Однако недавние технологические инновации, связанные с соединениями полупроводников, решают эти проблемы.

Более высокая эффективность в силовых устройствах GaN также позволяет упростить механизмы отвода тепла, что может способствовать значительному уменьшению размеров продуктов и снижению энергопотребления.

Применение силовых устройств GaN

Устройства питания GaN широко используются в зарядных устройствах, которые обеспечивают быструю зарядку смартфонов и ПК, а также в усилителях для базовых станций сотовой связи. Поскольку они могут обрабатывать больше мощности, чем устройства питания на основе кремния, их часто используют в зарядных устройствах ПК и усилителях для базовых станций в качестве замены им.

Кроме того, устройства питания GaN с высокой эффективностью начинают использоваться в стабилизаторах питания для фотоэлектрических систем генерации электроэнергии, которые требуют чрезвычайно высокой эффективности преобразования. Кроме того, из-за их способности работать на высоких скоростях переключения устройства питания GaN также используются в импульсных источниках питания для серверного оборудования, где требуется стабильность питания.

Принцип работы устройств питания GaN

Принцип работы силовых приборов GaN заключается в том, что полупроводниковое свойство GaN, называемое запрещенной зоной, примерно в три раза больше, чем у Si. Это делает приборы GaN устойчивыми к сильным электрическим полям.

Устройства питания GaN обычно состоят из схемы транзистора с высокой подвижностью электронов, называемой структурой HEMT. Структура HEMT обычно включена, что означает, что ток всегда течет, и выключается путем подачи отрицательного напряжения на затвор. Поэтому, если отрицательное напряжение не может быть подано на электрод затвора из-за какой-то проблемы, он не может быть выключен и становится очень нестабильным.

У устройств питания GaN есть такие проблемы с надежностью, и стабильное нормально выключенное состояние было проблемой с точки зрения простоты использования. Поэтому мы реализовали нормально выключенное состояние, включив нормально выключенные Si-MOSFET в электрод затвора.

Еще одной проблемой является физическое явление, называемое коллапсом тока. Это явление, при котором сопротивление ВКЛ увеличивается, а концентрация тока происходит во время переключения высокого напряжения, что вызвано дефектами в процессе изготовления кристалла GaN. Однако благодаря инновациям в технологии осаждения кристаллических тонких пленок теперь возможно высококачественное осаждение.

Другая информация о силовых приборах GaN

1. Сегрегация между GaN и SiC

GaN и SiC имеют большую диэлектрическую прочность на пробой из-за большой ширины запрещенной зоны, что позволяет легко увеличить напряжение пробоя устройства. Это делает их пригодными для сильноточных, высоковольтных приложений. В частности, SiC часто используется в сильноточных приложениях, таких как приводы двигателей для электромобилей и систем генерации электроэнергии, и, как ожидается, вскоре заменит IGBT из-за своего напряжения пробоя устройства.

С другой стороны, силовые устройства GaN широко используются в приложениях, требующих высоких скоростей переключения и высокочастотной работы из-за их высокой частоты среза (fT). Это указывает на высокие частотные характеристики и высокую подвижность электронов, хотя трудно достичь того же уровня пробивного напряжения, что и у SiC.

Другими словами, GaN и SiC делятся на устройства GaN для высокоскоростных коммутационных зарядных высокочастотных приложений для базовых станций 5G и устройства SiC для высоковольтных и сильноточных приложений.

2. Тенденции в области силовых полупроводников на основе GaN

Силовые полупроводники GaN в настоящее время используются в двух основных приложениях: одно нацелено на бортовую зарядку электромобилей при относительно высоком напряжении 650 В или выше, а другое нацелено на преобразование напряжения в DC-DC-преобразователях с 48 В до 12 В в гибридных электромобилях. Оба эти приложения, как и силовые полупроводники GaN, наряду с устройствами SiC, как ожидается, будут стимулировать рынок широкозонных устройств (WBG) в будущем.

Проблемы коммерциализации этих новых приложений заключаются в надежности, производительности производства и стоимости. Однако благодаря усилиям полупроводниковых компаний по всему миру потенциал коммерциализации стремительно растет.

3. Применение устройств GaN

Другие применения устройств GaN включают применение в качестве источников света: на GaN возлагаются большие надежды как на материал для светодиодных источников света и лазерных диодов с высокой световой эффективностью, поскольку GaN является прямым переходным полупроводником среди полупроводниковых соединений.

Как электронное устройство, GaN, как ожидается, также будет использоваться в мощных высокочастотных усилительных транзисторах для миллиметровых и субтерагерцовых приложений.