氮化炮gan fets&hemts:它们是什么以及它们的工作方式

氮化炮是一种半导体材料,正在越来越多地用于提供改进的性能,尤其是在高速和RF FET和HEMT中。


FET,现场效应晶体管包括:
FET基础FET规格JFETMOSFET双门MOSFET动力MOSFETmesfet / gaas fetHemt&PhemtFinFET技术IGBT碳化硅,SIC MOSFETgan fet / hemt


氮化炮,gan fets或gan晶体管正在越来越多地用于许多动力模块和设备以及RF电路设计。通常,gan hemt和gan晶体管术语互换使用。

GAN具有很高的电子迁移率,可以制造具有较低电阻值的半导体设备,并结合了非常高的开关频率能力。

RF Doherty Power放大器MMIC使用GAN HEMT技术
RF Doherty Power放大器MMIC使用GAN HEMT技术
照片由Prfi Ltd提供

这些好处意味着,在许多新的电子电路设计中都使用了GAN FET,从电动系统,电动汽车和可再生能源应用到RF电源放大器,其他RF设计电路等。

GAN FET使用两种半导体材料之间的界面产生一个非常薄的区域,称为2DEG(请参见下文),以提供非常高的电子迁移率,从而形成GAN HEMTS或高电子迁移率晶体管。

GAN晶体管技术通常用于制造单片微波IC,并在微波频率下提供高水平的性能。

什么是硝酸盐

氮化壳是一种使用元素元素表中III和V组的材料的复合半导体材料。

从物理上讲,材料非常困难,并且具有14.21 GPA的knoop硬度系数,而GAN具有其他一些有趣的物理属性,但是这里引起了电气特性。

氮化炮的宽带隙为3.5EV,与碳化硅的带隙非常相似,这使其非常适合用于许多设备的半导体。

GAN具有一些非常有用的属性,使其非常适合许多电源应用。它可以忍受高运行电压,处理高水平的功率,并且可以以高频运行,从而使其非常适合从移动通信,5G,6G等到航空航天和卫星通信的许多RF应用。beplayer体育官网

关于硝酸盐的注释:

氮化壳是一种半导体材料,在物理上非常困难,但也充当具有宽带盖的半导体,并且在半导体设备中使用时可以在高频上使用高功率水平。

阅读更多有关硝酸盐,甘。

为了制造GAN电子组件本身,需要在通常称为伪基层的氮化液中形成氮化壳 - 由于化学原因,不可能将GAN本身产生。

通常将甘恩沉积在硅或碳化硅上,以在硅上给出甘恩,该硅在si上被称为gan或在SIC上称为GAN的硅碳化硅上的GAN。

硅设备上的gan比硅碳化硅上的甘恩便宜,但是SIC上的gan具有许多优势:

  • SIC上的GAN具有较高的导热率:由于碳化硅的导热率较高,因此SIC上的总gan具有较高的导热率,通常是硅上GAN的三倍。这意味着与同一几何形状的硅设备上的GAN相比,SIC设备上的GAN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性:碳化硅的低相对介电常数意味着SIC设备上的GAN的带宽可能比硅设备上的GAN更高。

底物的另一种可能性是合成钻石。这提供了高度的导热率,但成本比硅上的GAN和SIC上的GAN的成本高得多。

什么是2DEG

关于Hemts的网站和信息文章有很多,它们指的是2DEG,而没有解释其是什么。

本质上,2DEG代表二维电子气体它是HEMT技术背后的核心概念。

下面解释了背后的基本概念。

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hemts。HEMT的概念已经闻名了很多年,并且已在其他FET技术中使用。

氮化炮的化学结构称为“ Wurtzite”结构。正是这种结构是GAN晶体管的Hemt操作的关键。

GAN晶体的Wurtzite结构使材料具有压电效应。由于晶体晶格中的带电元素,这主要是实现的。如果结构受到应变的影响,则变形将导致晶格中的原子发生很小的变化,从而产生电场:应变水平越高,产生的电场越大。

当氮化铝硅酸盐,将α层生长在氮化岩的顶部,gan晶体时,两个晶体晶格之间的界面不完全匹配,因此建立了应变。

HEMT 2DEG -2尺寸电子气体的概念,显示了电子气体如何局限于两个晶体晶格之间接近界面的购物中心区域
HEMT 2DEG的概念-2尺寸电子气体

该菌株诱导2维电子气体2维。这种二维电子气体是高度导电的,因为电子限制在界面处的非常小的区域内。这实际上使电子迁移率从约1000厘米增加一倍2/v˙s在正常的gan至1500至2000厘米之间2/v˙s在二维区域内。这种高电子浓度和迁移率是Hemts的基础,在这种情况下为Gan Hemt。

发现2DEG的质量对沿界面的电子传输产生了重大影响,因此对最终设备的性质有重大影响。

电子通过二维区域的流动 - 有效地由通道控制,受到FET的正常方式的栅极电势。

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,并使用其二维电子气体区域利用HEMT结构,为设备提供了基本的操作模式。

Gan Hemts在耗尽模式和增强模式品种都有可用的情况下。

  • 耗尽模式:耗尽模式gan晶体管通常为;为了将其关闭,必须将相对于排水管和源电极的负电压应用于栅极。

  • 增强模式:增强模式或电子模式FET是通常关闭的方式。通过将正电压施加到栅极相对于排水管和源的栅极上来打开它们。

自然,两种类型的实际FET的结构略有不同。另外,这些电子组件的不同制造商采用了许多方法,但是操作的基本原理是完全相同的。

耗尽模式gan晶体管

耗尽模式的基本结构gan hemt由三个电极,源,排水和栅极组成,正如野外效应晶体管通常所期望的那样。

源和排水量是制造的,因此它们不坐在Algan层上,而是直接与GAN区域接触,因此是2DEG。

耗尽模式的基本结构概念gan hemt
耗尽模式的基本结构概念gan hemt

由于这是耗尽模式的hemt,因此在排水和源之间产生了短路。

为了减少电子通过2DEG的流动,将负电位应用于闸门相对于排水管和源,这会耗尽电子通道,从而降低了通道电导率。

这些设备可以通过多种方式进行制造。可以通过使用镍金或铂等细节将金属层直接放在Algan的顶部,从而创建肖特基门电极。创建了一个Schottky屏障,该屏障可以控制频道电导率。

删除模式gan hemt也已使用绝缘层制造,然后将金属门沉积到此。这种方法与硅MOSFET技术具有许多相似之处。

尽管耗尽模式晶体管适用于许多电子电路设计,但它们倾向于不用于电源系统,因为不建议将通常在电源系统中使用的大电流源,并且打开时具有短路的设备。

增强模式GAN晶体管

有几种方法已用于创建增强模式GAN晶体管。通常,它们可以制造更多的参与,但是它们往往是广泛使用的模式。

有五个主要结构用于增强模式GAN FET。这些是:cascode混合,直接驱动混合动力,植入门,PGAN门和嵌入式门。

某些主要结构技术如下:

  • 植入门:创建增强模式的一种方法是将氟原子植入栅极区域的α屏障层中。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。

    植入门增强模式的基本结构概念gan hemt
    植入门增强模式的基本结构概念gan hemt

    该区域顶部的Schottky栅极提供控制,因为当应用正偏置时,电子将被吸引到该区域中的2维平面,并且电流将流动。在频道中。

  • 嵌入式门结构:嵌入式栅极结构是通过将二进制平面上方的Algan屏障区域变薄而产生的。这降低了该区域的压电电效应产生的电压。到达了一个点,即晶体结构中应力产生的电压小于Schottky Metal Gate的内置电压,并且在此处消除了2DEG平面。

    凹入门增强模式的基本结构概念gan hemt
    凹入门增强模式的基本结构概念gan hemt

    如果将正偏置放在栅极上,则将电子吸引回到两个半导体材料之间的界面,并且电流能够流动取决于偏差的水平。

随着GAN半导体技术的发展,由于它带来了RF设计的优势和许多电源设计的设计,因此未来几年将有更多的开发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RF设计的许多领域。产生的GAN晶体管的参数意味着它们适用于需要高功率,高频或高性能或需要这些参数的任何组合的许多不同应用。

  • 电力系统:凭借开关模式电源,电动开关,电动汽车等所需电动开关设备的所有内容,Gan Hemt将自己适用于许多这些应用。这些设备的快速开关和电阻较低意味着效率水平很高。高分解电压还意味着可以实现相对较高的级别开关。

  • RF功率放大器:高功率能力和高速的结合意味着GAN FET技术是RF功率放大器的理想候选者。

    GAN FET技术从高可靠性和高效率水平到高频运行的能力都具有许多优势。结果,GAN技术用于许多RF功率放大器,用于各种应用程序,包括使用它的移动通信,尤其是在5G,6G等的基站中。它也用于其高可靠性和弹性的卫星应用程序中beplayer体育官网以及可以归还的高效率的高度兴趣。

  • GAN RF开关:GAN FET的另一个应用程序是RF开关。在许多情况下,需要RF开关,这些电子组件提供了切换RF电路的理想方法。他们能够处理比RF设计中用于切换的GAASFET更高的功率水平。

    GAN FET能够使用与GAASFET开关相同的基本RF设计体系结构,但是随着电子评论值等的更改。随着RF开关的变化,这些GAN晶体管能够提供低的开关损失,因为它们的阻力低,它们会提供。具有高水平的隔离,出色的线性性,并且比GAASFET可以处理更高的功率水平。

  • gan低噪声放大器:GAN FET的高频能力意味着它们不仅能够作为功率放大器运行,而且还可以作为前端低噪声放大器LNA在接收侧运行。在这个角色中,这些电子组件能够表现良好,提供低噪声图,这是RF电路设计中此角色至关重要的。

    但是,鉴于它们的高功率能力和一般鲁棒性,它们能够忍受高输入功率水平,这与GAASFET可能相当容易受到过载和ESD的影响。因此,GAN FET开始在雷达装置中用作众多示例之一。

    他们对RF水平的高容忍度的优势之一是,可能并不总是需要循环器。当循环器会引入损失时,这可以降低总体接收器敏感性以及吸收某些发射器功率。

  • GAN搅拌机:氮化炮FET还可以在高性能RF混合器中找到使用。在这里,这些电子组件可以提供的高水平线性及其对高功率水平的弹性,这意味着它们正在许多新的RF设计中代替基于GAASFET的搅拌机。

  • MMIC:GAN FET技术也用于许多单片微波IC中,MMIC。由于MMIC需要在各种RF设计块中扩展其频率范围,因此GAN技术非常适合在提供多种RF功能的MMIC中使用。

在许多领域正在使用GAN技术,并且随着技术的进一步发展,在其他领域,总有可能使用GAN技术的电子组件。



在许多电力和射频电路设计领域,硝酸盐技术越来越普遍。这些设备的成本仍然比使用较旧技术的等效物的价格高,但是有时收益可能会超过成本罚款,并且在许多情况下,该项目的总成本较低。因此,在许多RF设计以及许多新的电源系统电路设计中都可以看到Gan Fets或Gan Hemts。

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