氮化镓功率器件基础培训(2015.1.15)
氮化镓及其异质结特性ppt课件
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图9．22也是Ni在AlGaN／GaN上的肖 特基接触的伏安特性曲线，但不是画 成对数坐标．在大电压下的I-V曲线是 直线，说明串连电阻在起主要作用。 它的串连电阻是随着温度降低而变小 的。这一行为正好是由二维电子气的 迁移率则随温度变化的特点引起的。
图9．23是A1GaN／GaN结构的面电 子密度和迁移率随温度变化。面电子 密度在100k一300K的范围内大致和温 度无关。而迁移率在温度从室温降到 100K时是增加的，因而造成了串连电 阻随温度的降低而变小。
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谢谢！
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1、随着铝组分的增加啊AlGaN的禁带宽度也逐渐增加。 2、光子的能量越大， AlGaN的吸收系越大。 3、一个质量完美的直接禁带半导体来说，光子能量达到禁带宽度时吸收 系数变化非常陡，所以选取吸收系数变化最大的地方为禁带宽度。 6
随着光子能量的增加，折射率会逐渐增加，当光子能量等于禁带宽度时， 折射率会经历一个极大值。
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非简并情况下当正向电压V>3kT/q时的电流密度
热电子发射机制和隧道机制共同作用下的电流：
I=
2
2
参数E00 由掺杂浓度决定的．掺杂浓度愈高，势垒区愈窄，隧穿效应愈 大，而参数E00也愈大．
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当E00 《kT时跨越势垒的 热电子发射机制是电流传输的主要机制
2
如果是热电子发射电流是占主导，不同温度的lnI-V的曲线的斜率 q／kT是 和温度有关的。
较短的光电器件。
3
9.1节 氮化镓的基本物理特性
氮化镓功率 pdf
氮化镓功率）作为种宽禁带半导材料具高电子迁移率、高击穿电压、高热导氮化镓（GaN一体，有率等优良性使其功率电子领域具广泛应用前景。
氮化镓功率器件主要包括氮化镓特，在有的功率二极管、氮化镓晶管、氮化镓功率模块等。
本文将氮化镓功率器件性能、应用体对的以及发展趋势进行详细解析。
、氮化镓功率器件性能点一的特高效率：氮化镓功率器件具很高电子迁移率使得器件工作时具较低导1. 有的，在有的通电阻从而提高了器件效率。
，的高功率密：氮化镓功率器件具较高击穿电压和较电流容量使得器件可2. 度有的大的，以较小积下承受较高功率。
在的体的高热导率：氮化镓功率器件具较高热导率利于热量传导和散发提高了器件3. 有，有的，热稳性。
的定宽带隙：氮化镓功率器件宽带隙性使其高温、高电场等恶劣环境下具较4. 的特，在有好的定稳性。
二、氮化镓功率器件应用领域的电源模块：氮化镓功率模块电源领域应用已经逐渐成熟其主要优势于提高了1. 在的，在体电源转换效率、减小了电源积、降低了热量损失等。
电力电子设备：氮化镓功率器件电力电子设备中应用主要包括变频器、逆变器、2. 在的整流器等。
氮化镓功率器件高效率、高功率密等性利于提高电力电子设备性的度特，有的能。
电动汽车：氮化镓功率器件电动汽车领域应用前景广阔主要包括电机驱动器、3. 在的，车载充电器、电池管理系统等。
氮化镓功率器件高效率、高功率密等性助于提高的度特，有电动汽车续航程、降低能耗等。
的里能源并网：氮化镓功率器件能源并网领域应用主要包括光伏逆变器、风能变4. 新在新的的度特，有新的流器等。
氮化镓功率器件高效率、高功率密等性利于提高能源并网电能转换效率、减小设备积等。
体三、氮化镓功率器件发展趋势的技术：随着科研技术不断进步氮化镓功率器件技术也不断。
例如1. 创新的，的在创新，过改进材料生技术、优化器件构设计等进步提高氮化镓功率器件性能。
通长结，一的成本降低：随着氮化镓功率器件生产模扩和技术成熟其成本也逐渐降2. 规的大的，在有在更的低。
氮化镓(GaN)功率器件的特点、应用及发展
氮化镓（GaN）功率器件的特点、应用及发展现有硅功率器件已经达到了理论极限，而第三代半导体材料中氮化镓材料的基础参数更加优异，也将具有更大的发展空间。
本文从GaN功率器件的基础参数分析其特点和优势，列举其在消费类电源和电动汽车领域的应用，最后阐述现有国家政策和国内产业链发展情况。
标签：氮化镓（GaN）;消费类电源;电动汽车;新基建。
随着硅功率MOSFET技术的不断发展，其参数达到了硅基器件的理论极限。
而作为第三代半导体材料中的SiC和GaN为原材料的功率器件则是优良的升级品。
本文主要对GaN功率器件的特点、应用和发展进行论述。
由表1得出GaN材料的特性包括禁带宽度大、临界击穿电场高、电子迁移率较高、饱和漂移速度高及导热率大。
高的禁带宽度意味着具有较低的本征泄露电流和较高的工作温度。
在相同击穿电压下，GaN材料的高临界击穿电场可以使漂移区厚度可以比硅器件小1/10左右，体积更小，寄生参数更小。
理论导通电阻与偏移区厚度成正比，与电子迁移率成反比。
所以，较小的偏移区厚度和较高的电子迁移率可以使导通电阻进一步降低。
高饱和漂移速度，说明更适合高频工作。
导热率越大，说明其传递热量的能力越强，则更适宜于高温环境[1]。
综合以上分析可知，第三代宽禁带GaN材料具有开关速度快，导通电阻低，尺寸小，耐高温等特点，所以GaN功率器件适合高频、高温、高效率的应用环境，能够有效减小系统尺寸，提高功率密度，并最终降低系统成本。
二、氮化镓功率器件的应用1.消费类电源的应用目前，手机和电脑已成为生活的必需品，而配套电源充电器也随之升级换代。
在2018年11月6日，联想发布了thinkplus口红电源，标准功率输出65W，兼容绝大多数Type-C供电的电脑和手机。
在2019年9月17日，OPPO发布了一款标配65W的GaN快充充电器。
这也是第三代半导体GaN材料首次应用于手机原装快充充电器。
在2020年的1月7日到1月10日的CES2020展会上，共有约30个厂商推出60多款GaN快充产品。
氮化镓功率器件参数
氮化镓功率器件参数一、氮化镓功率器件概述氮化镓（GaN）功率器件是一种基于氮化镓材料制成的半导体功率器件，具有高电子迁移率、高热导率、高击穿电压等优点。
在近年来，随着氮化镓材料技术的不断发展和成熟，氮化镓功率器件已在众多领域得到广泛应用。
二、氮化镓功率器件的主要参数1.正向电压：正向电压是指器件在正向电流下所需要的电压。
氮化镓功率器件的正向电压较低，有利于提高整个电路的效率。
2.反向漏电流：反向漏电流是指在反向电压下，通过器件的电流。
氮化镓功率器件的反向漏电流较小，有助于降低功耗。
3.开关速度：开关速度是指器件在开启和关闭过程中的时间。
氮化镓功率器件具有较快的开关速度，可以减小开关损耗，提高电路的工作效率。
4.热阻：热阻是指器件散热能力与温度升高之间的阻力。
氮化镓功率器件具有较低的热阻，有利于提高器件的可靠性和稳定性。
5.负载电流：负载电流是指器件在正常工作状态下所能承受的电流。
氮化镓功率器件具有较高的负载电流能力，可以满足不同应用场景的需求。
三、氮化镓功率器件的应用领域1.高效电源：氮化镓功率器件在高效电源中的应用可以提高转换效率，减小体积和重量，降低系统成本。
2.电动汽车：氮化镓功率器件在电动汽车领域可以提高动力电池管理系统、电机控制器和充电器的性能。
3.无线通信：氮化镓功率器件在无线通信基站、卫星通信和雷达系统中具有广泛应用，可以提高设备的性能和可靠性。
4.新能源：氮化镓功率器件在新能源领域，如太阳能、风能等，可以提高转换效率，降低系统的成本和重量。
四、氮化镓功率器件的优缺点分析优点：1.高电子迁移率，有利于提高器件的开关速度和效率。
2.高热导率，有助于器件的散热和可靠性。
3.高击穿电压，提高器件的耐压性能。
4.较低的正向电压和反向漏电流，降低功耗。
缺点：1.制造成本相对较高。
2.器件的稳定性、可靠性与工艺和封装技术密切相关。
五、我国氮化镓功率器件的发展现状与展望1.发展现状：我国氮化镓功率器件产业已取得显著成果，部分企业具备了国际竞争力。
氮化镓知识-0010
氮化镓知识这是一种具有较大禁带宽度的半导体,属于所谓宽禁带半导体之列。
它是微波功率晶体管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。
目录简介GaN材料的特性总述化学特性结构特性电学特性光学特性GaN材料生长GaN材料的应用基新型电子器件基光电器件应用前景GaN材料的缺点和问题GaN材料的优点与长处GaN器件制造中的主要问题简介GaN材料的特性总述化学特性结构特性电学特性光学特性GaN材料生长GaN材料的应用基新型电子器件基光电器件应用前景GaN材料的缺点和问题GaN材料的优点与长处GaN器件制造中的主要问题简介GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。
GaN材料的特性总述GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。
在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
它在一个无胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
化学特性在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。
NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。
GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。
结构特性表1列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性比较。
电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要因素。
未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。
氮化镓微波功率器件
氮化镓微波功率器件
氮化镓微波功率器件是一种利用氮化镓材料制作的微波功率放大器或开关器件。
氮化镓具有优异的热稳定性、高电子迁移率和较大的饱和漂移速度，使其成为高功率、高频率微波电子器件的理想材料。
氮化镓微波功率器件可以用于各种微波应用，如通信、雷达、无线电、广播和卫星通信等领域。
它具有高功率和高频率操作的能力，能够提供更大的输出功率和较高的工作频率。
此外，氮化镓材料还具有较低的损耗和较高的工作温度能力，因此能够在各种苛刻的环境条件下工作。
一种常见的氮化镓微波功率器件是氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）。
HEMT是一种由氮化镓材料构成的场效应晶体管结构，其中氮化镓层用作电子传输通道。
HEMT具有较高的电子迁移率和较低的电子散射率，使其能够实现高功率和高频率的操作。
另一种氮化镓微波功率器件是氮化镓双极晶体管（HBT）。
HBT是一种具有双极结构的晶体管，其中氮化镓材料用于制作基区和集电区。
HBT具有高电流增益和较低的饱和漂移速度，因此适用于需要高电流增益和中等功率输出的应用。
除了HEMT和HBT之外，氮化镓还可用于制作其他类型的微波功率器件，如氮化镓基片上的谐振器、磷化铟/氮化镓混合集成电路等。
总之，氮化镓微波功率器件由于其优异的性能和能力，在微波
和射频领域具有广泛的应用前景。
它们可以提供更高的功率和更高的工作频率，同时具有较低的损耗和较高的工作温度能力，有助于推动微波和射频技术的发展和应用。
氮化镓相关知识点总结
氮化镓相关知识点总结一、氮化镓的基本特性1.1 物理特性氮化镓是β相结晶形态，为六方晶系，晶格常数a=3.190 Å，c=5.185 Å。
氮化镓具有较大的禁带宽度，约为3.39 eV，使得它具有优异的光电特性。
此外，氮化镓具有较大的电子饱和漂移速度，高电子迁移率和热导率，使其在高频、高功率器件中具有广泛的应用前景。
1.2 光电特性氮化镓的宽禁带带来了其优异的光电特性，如高光电转换效率、辐射较少的载流子复合效应等。
这使得氮化镓在LED、LD等光电器件中具有广泛的应用。
1.3 化学特性氮化镓具有较高的化学稳定性，可以抵抗许多化学介质的侵蚀，具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
这使得氮化镓在高温、高压环境中具有良好的稳定性。
二、氮化镓的制备方法2.1 气相外延法（MOVPE）气相外延法是目前最为常用的氮化镓制备方法，其原理是通过化学气相沉积在衬底上沉积氮化镓薄膜。
该方法具有制备工艺简单、成本低廉、薄膜质量好等优点，已经成为了氮化镓材料的主要制备方法。
2.2 分子束外延法（MBE）分子束外延法是一种高真空下利用分子束沉积法制备氮化镓薄膜的方法。
由于该方法的沉积速率较低，因此得到的氮化镓薄膜具有较高的质量，适用于制备一些高要求的器件。
2.3 氢化氨气相外延方法（NH3-MBE）氢化氨气相外延法是一种通过气相反应生成氮化氢的方法，由于氮化氢的分解温度较低，因此可以用于较低温度下制备氮化镓薄膜，可用于某些温度敏感的器件。
2.4 氮化镓单晶生长方法氮化镓单晶生长方法主要包括氮化镓晶体生长、离子助熔生长等。
这些方法主要应用于高性能器件的制备，得到的氮化镓单晶质量较高，适用于一些高性能要求的器件。
三、氮化镓的器件应用3.1 LED氮化镓LED是目前最为普及的LED器件之一，它具有较高的光电转换效率、较长的使用寿命、较高的亮度和颜色纯度等特点，已经广泛应用于照明、显示等领域。
3.2 LD氮化镓LD是一种将电能转化为光能的器件，具有较高的输出功率、较小的尺寸和窄的谱线宽度等优点，是高速光通信和激光打印等领域的重要组成部分。
氮化镓功率芯片技术路线-概述说明以及解释
氮化镓功率芯片技术路线-概述说明以及解释1.引言概述部分的内容可以从以下几个方面展开：1.1 概述氮化镓功率芯片技术是一种新型的半导体材料技术，它在功率电子领域中具有广泛的应用前景。
随着现代科技的不断发展，对功率电子设备的需求越来越高，传统的硅功率芯片已经无法满足这些需求。
而氮化镓功率芯片技术作为一种新兴的材料技术，具有很多优势，如高电子流动性、高击穿电场强度、高热导率等，使其成为了一种引人注目的替代方案。
氮化镓功率芯片技术通过在氮化镓材料中引入杂质，改变其电性能，从而实现高功率、高频率和高温工作的要求。
相对于传统的硅功率芯片，氮化镓功率芯片具有更低的电阻、更高的开关速度和更小的尺寸。
因此，氮化镓功率芯片技术在电动汽车、太阳能发电、通信设备等领域有着广泛的应用前景。
本文将对氮化镓功率芯片技术的制备方法、技术路线等进行详细探讨。
首先，将介绍氮化镓功率芯片的制备方法，包括金属有机气相外延（MOCVD）法、氮化物熔融生长法等。
其次，将探讨氮化镓功率芯片技术的研究进展和应用现状。
最后，对未来氮化镓功率芯片技术的发展进行展望，提出一些可行的解决方案和创新点。
通过对氮化镓功率芯片技术的深入研究和应用，可以提高功率电子设备的性能和效率，推动新能源和智能电网等领域的发展。
本文将对氮化镓功率芯片技术的最新研究成果和发展趋势进行全面分析和总结，旨在为相关领域的科研人员和工程师提供参考和启示，促进氮化镓功率芯片技术的进一步推广和发展。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构部分旨在简要介绍该篇长文的组织结构，以让读者对文章内容有一个整体的了解。
本文按照以下结构进行组织：第一部分是引言，主要分为三个小节。
第一小节概述了氮化镓功率芯片技术的重要性和应用领域；第二小节介绍了本文的结构和各部分的内容安排；第三小节明确了本文撰写的目的和意义。
第二部分是正文，包括两个小节。
第一小节对氮化镓功率芯片技术进行了概述，介绍了其基本原理、特点和应用；第二小节详细介绍了氮化镓功率芯片的制备方法，包括生长方法、加工工艺等。
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额定电压(V) 40 40 60 75 80 100 100 100 150 200 250
额定电流（A） 60 30 60 3 60 10 25 60 10 10 4
封装 TO-220
SO-8 TO-220 CANPAK TO-220 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252
Байду номын сангаас
感性负载下功率管工作过程
MOSFET的功率损耗 33
di ������������ = ������������ ⋅ d������������
MOSFET的功率损耗 34
感性负载下MOSFET工作波形
关断损耗
开通损耗
反向恢复损耗
导通损耗
不同温度下的工作电流
Tc=25℃ PD=(Tj max –Tc) / RthJC PD=(150-25) / 0.55 = 227 W ID= 227/0.109 = 45.6A
目前主要的SiC功率器件制造厂家 47
目前主要的氮化镓功率器件制造厂家 48
S
二维电子云
氮化镓器件工作原理 49
I
AlGaN D
GaN
氮化镓器件工作原理 50
I
AlGaN
S
D
GaN
耗尽型氮化镓功率管的结构 51
Gate Source
AlGaN
Protection Dielectric Drain
单位
V A mΩ V nC ns μC W
MOSFET的额定电压 23
MOSFET的额定电流 24
MOSFET的门极阈值电压 25
Infineon IPW65R045C7
提高门极电压可以降低RDS(ON)
MOSFET的耗散功率 26
MOSFET的导通电阻 27
D
G
ID
S
MOSFET的分布电容 28
温度对比 69
无风扇散热，VIN=12 V, VOUT=1.2 V, IOUT=20 A, fsw=1 MHz, L=300 nH
GaN FET的驱动 70
RSource
CGD
RSeries
RG
CVGGSS
RSink LS
尽量减小源极到地的电感量
Top View
优化PCB Layout 71
Side View
Tc=100℃ PD=(Tj max –Tc) / RthJC PD=(150-100) / 0.55 = 91 W ID= 91/0.109 = 28.9A
Infineon IPW65R045C7
MOSFET的工作电流 35
RDS(ON) @150℃ = 0.109Ω
MOSFET的安全工作区域 36
2.2
2.1
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
GaN
0.8
MOSFET B
0.7
0.6
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
Junction Temperature (°C)
门极阈值电压和温度的关系 64
1.2
1.1
Normalized Thershold Voltage
90 85 80
LGA
SO-8 LFPAK DirectFET LGA
75
70
65 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Switching Frequency (MHz)
EPC2100
上升和下降时间 62
GaN FET的上升时间和下降时间一般都小于5ns
导通阻抗和温度的关系 63
Normalized On Resistance
SO-8
LFPAK
Device Loss Breakdown
2.5
Package
Die
2
1.5
82%
VIN =12V VOUT =1.2V IOUT =20A FS =1MHz
1
73%
0.5
47%
18%
18% 27% 53% 82%
0 SO-8
LFPAK DirectFET LGA
DirectFET
1
0.9
0.8
GaN
0.7
MOSFET A
0.6
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
Junction Temperature (°C)
门极电荷 65
MOSFET + QRR
反向恢复特性 66
eGaN FET + Zero QRR
品质因数对比 67
100V: GaN FET VS MOSFET
RDS(ON)
Qg
C
RDS(ON)
Qg
A
Qg
MOSFET的功率损耗 31
阻性负载下MOSFET工作波形
D G
ID
S
开通损耗
导通损耗
关断损耗
MOSFET的反向恢复特性 32
体二极管的反向恢复特性
二极管可视为一种电容。 积累 的电荷Qrr完全放掉需要时间为trr。
另外， 由 于反向恢复时， 处于 短路状态， 损耗很大。 因此内部寄 生二极管的电容特性使MOSFET开关 频率受到限制。
3.2
EBR(MV/cm)
3.3
0.3
3.5
VS(X 10⁷ cm/s)
2.5
1.0
2.0
μ(cm²/Vs)
990-2000
1500
650
导通阻抗和击穿电压的极限 42
导通阻抗和击穿电压理论框图
氮化镓和碳化硅功率管比较 43
使用新型器件带来的变化 44
SiC器件市场预测 45
GaN器件市场预测 46
一些常见MOSFET的价格 38
型号
IPP048N04NG BSC093N04LSG IPP052N06L3G BSF450NE7NH3 IPP070N08N3G IPD78CN10NG IPD33CN10NG IPD122N10N3G IPD530N15N3G IPD320N20N3G IPD600N25N3G
MOSFET的主要制造厂商 14
英飞凌 • MOSFET技术领先，高端路线 东芝 • 家电等领域占有率高 AOS 低压小电流产品性价比高 ST • 产品线齐全，公司规模大 仙童 • 老牌厂家，性价比高 IR • 低压MOS做得比较出名，被英飞凌收购
2013年全球MOSFET厂家市场份额 15
• 2012年通用MOSFET总销售额58亿 美元
Top View
优化PCB Layout 72
Side View
Bottom View
Top View
优化PCB Layout 73
Side View
Top View Inner Layer 1
优化PCB Layout对效率的影响 74
Efficiency (%)
91
90
89
Optimal
Design 1
安全工作区域（SOA, Safe Operating Area）
Infineon IPW65R045C7
如何选择MOSFET 37
一般性经验
100%
30%
50%
工作电压
工作电流
实际工作值 器件额定值
耗散功率
对于最高结温150℃的器件，一般实际结温不能高于125℃
实际设计时应考虑最坏的条件。 如结温Tj从50 ℃ 提高到100 ℃ 时， 推算 故障率降提高20倍。
• 宜普公司的首席执行官Alex Lidow是 HEXFET® 功率MOSFET的共同发明者之 一。除了曾负责研发及制造等职务，Alex Lidow曾任职国际整流器公司首席执 行官12年。35年多以来，Alex的使命是致力开发全新半导体，以提高我们高效 转换和使用能源的能力。
EPC简介 55
eGaN FETs for
Efficient Power Conversion
EPC主要产品选型表 56
额定电压
额定电流
门极电压 工作温度 储存温度
GaN FET的主要参数 57
EPC2015
击穿电压 DS漏电流 门极漏电流 门极阈值电压 导通电阻
SD正向电压
J-C热阻 J-B热阻 J-A热阻
GaN FET的主要参数 58
参考价格（美元） 0.6 0.4 0.5 0.35 0.65 0.3 0.35 0.45 0.75 0.9 1.3
39
GaN FET简介
• 低导通阻抗 • 更快速 • 低分布电容 • 小体积 • 低成本
为什么需要寻找新材料 40
几种常见的半导体材料 41
性能
GaN
Si
SiC
EG(eV)
3.4
1.12
门极驱动功率计算： Pg = △Vgs×Qg×fsw
=Ciss×(△Vgs)²×fsw
Qg:见规格书 fsw:开关频率
Qgs Qgd Qg
MOSFET的品质因数 30
品质因数 FOM(Figure of Merit)
FOM=Qg x RDS(ON)
RDS(ON)
B
RDS(ON) RDS(ON)
QQgg
IGBT的主要制造厂商 12
赛米控 • 拥有金属压接等先进封装工艺
三菱电机 IPM以及高压、大功率IGBT是优势
富士电机 • IGBT兼容英飞凌，IPM兼容三菱，性价比高