Zaloguj się
Wszystkie
31 lipca 2023
1006
Power Electronic Tips
Niewątpliwie azotek galu (GaN) ma najszerszą przerwę energetyczną spośród stosowanych z miłą chęcią materiałów półprzewodnikowych (jest to ok. 3,4 eV). W połączeniu z najwyższymi wartościami krytycznego pola magnetycznego i dużą ruchliwością elektronów (średnio 2000 cm2/V·s) oznacza to: wysoką częstotliwość przełączania, możliwości pracy w podwyższonych temperaturach i nadzwyczaj niską rezystancję włączenia. Gwarantowane są małe pojemności pasożytnicze i zwiększone poziomy mocy. Wytrzymałość elektryczna azotku galu osiąga: 3,3 MV/cm. W porównaniu z krzemem jest to aż 11 razy większa wartość. Tym sposobem warstwa GaN może być 11 razy cieńsza od warstwy krzemu. Przewodność cieplna azotku galu to liczba rzędu 2 W/cm·K. Prędkość nasycenia elektronów wynosi: 2,5·10^7 cm/s.
Tranzystory d-GaN i e-GaN
Zasadniczą konstrukcję tranzystorów d-GaN i e-GaN przedstawiono na rysunku 1. Jest to tzw. struktura HEMT (po ang. High-Electron-Mobility Transistor), w której nad warstwą AlGaN jest bramka. Dwuwymiarowy gaz elektronowy (po ang. 2DEG) przewodzi prąd drenu. Jest to kanał tranzystora d-GaN i e-GaN, który powstaje na styku warstw GaN i AlGaN. Występuje warstwa izolatora między bramką, a drenem. Przy napięciu bramki Vgs=0 V może zaistnieć prąd drenu. W przypadku tranzystorów d-GaN zachodzi ten przypadek. Dla tranzystorów e-GaN już nie. Z punktu wdzenia układów mocy, które muszą być wyłączone podczas włączania, żeby uniknąć zwarć, ma to szczególne znaczenie. Tylko tranzystory e-GaN sprawdzają się w tych układach. Posiadają warstwę p-GaN albo p-AlGaN między bramką, a warstwą AlGaN (rysunek 2). Jest to zmodyfikowany tranzystor d-GaN.
Kaskodowe tranzystory GaN
W celu uzyskania kaskodowego tranzystora GaN, należy dołączyć bramkę tranzystora d-GaN do źródła niskonapięciowego tranzystora krzemowego MOSFET, według schematu z rysunku 3. Ostatni tranzystor steruje pierwszym, tj. aktywuje go i wyłącza. Finalna wartość rezystancji ulega przyrostowi. Wartość ładunku Qrr także. Istnieje spora pojemność wyjściowa. Jednakże wspomniany przyrost jest niewielki. W porównaniu z tranzystorami: d-GaN i e-GaN, zauważyć można maksymalnie o 5% wyższą wartość rezystancji włączenia. Wartość ładunku Qrr jest, o rząd wielkości, niższa niż w wysokonapięciowym tranzystorze krzemowym MOSFET. Finalna wydajność kaskodowych tranzystorów GaN jest nie gorsza od tranzystorów d-GaN i e-GaN. Z nawiązką przedział napięcia bramki: ±20 V zapewnia pełną kompatybilność ze sterownikami. Ryzyko przebicia tranzystora jest zminimalizowane. Na ogół napięcie progowe bramki to: 4 V. Szybkość narastania napięcia jest ograniczona. Aplikacjami kaskodowych tranzystorów GaN są rozwiązania motoryzacyjne. Często tranzystory te spełniają normę AEC-Q101.
Tranzystory v-GaN
Przedstawione dotychczas tranzystory wytwarza się na podłożu krzemowym. Występujące w nich warstwy GaN i AlGaN wyrastają, z miejsca, na tym podłożu. Wyróżnia je liczba defektów krystalicznych powyżej 10^8 cm-2, która wyklucza pracę tranzystorów z napięciami 900 V do góry. Inaczej jest w przypadku tranzystorów v-GaN, których strukturę pokazano na rysunku 3 (nie innym). Dzięki zastosowaniu podłoża GaN, topnieje liczba defektów krystalicznych (10^3-10^5 cm-2). Gwarantuje to napięcia pracy: przynajmniej 1-10 kV. Jest to sensowna alternatywa względem tranzystorów SiC. Jednak przytoczone podłoże nie jest wytwarzane w wielkich, już z kolei, rozmiarach. Powoduje to wzrosty kosztów produkcji tranzystorów v-GaN - pomimo ich miniaturyzacji. Stąd oczekuje się dostępności o wiele większych podłoży GaN. Będzie to dość ważne w kwestii upowszechnienia tranzystorów v-GaN na dużo szerszą skalę, uwzględniając wysoką częstotliwość przełączania oraz zwiększoną wydajność.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
