GaN HEMT：一些器件特性和应用权衡，第二部分

GaN HEMT 的短路耐受时间 (SCWT)：

在电机驱动应用中，功率器件需要承受过载或故障条件，这些条件会造成器件处于高电压和高电流导通状态且器件处于饱和状态。高温会导致灾难性的破坏。功率器件及其栅极驱动器需要协同工作才能关闭器件，之前将 1us 视为正常响应时间。几项关于 GaN HEMT 的研究报告了更短的 SCWT 时间，这被认为是来自高电流密度，尤其是在低 Rdson 器件中。随着 Vds 升高，SCWT 急剧下降，许多研究表明 Vds ≥ 400V 时小于 500ns。较低的 Vgs 也有帮助，因为 SCWT 在高 Vgs 下的退化被认为是由于栅极下方的空穴积累造成的[4]. 一项比较级联与电子模式 HEMT [5]的研究表明，短路 (SC) 热事件导致级联设备中的 Idsat 下降低于电子模式设备，这使得它们对 SC 事件的鲁棒性较低。由于自热导致的 e-mode 设备上 Idsat 的较大百分比下降有助于加强其 SC 行为。

一项研究[6]提出了 SCWT 安全操作区域，其中作者还研究了重复 SC 事件的影响。研究发现，尽管 Vds 为 400V 和 Vgs 为 6V 的单个 SC 事件允许较大的 SCWT (>300us)，但在这些偏置条件下，重复的 SC 事件仅导致 20ns 的 SCWT。Vds 和/或 Vgs 的显着降额对于改善这个时间是必要的。作者得出结论，薄 GaN 沟道层中的热限制会产生机械应力，从而导致故障。Transphorm 获得了一种改进 SCWT 的方法的专利。这种方法[7]被称为短路电流限制器 (SCCL) 有效地减少了栅极下方通道的有源区域，从而降低了 Idsat 并改善了 SCWT，但 Rdson 损失可能在 10-30% 之间。当与去饱和检测 (DESAT) 栅极驱动器配对时，在 Vds = 400V 和完整 Vgs = 12V 时获得 800ns 检测。已经提出了几种快速 SC 检测方法，很明显，该领域需要重大发展来验证 GaN HEMT 在电机控制应用中的使用，特别是在电压 ≥ 400V 的情况下。

三、包装：

级联拓扑对栅极电压更稳健，因此在一定程度上比 e 模式对应物更能不受寄生电感/电容的影响。一些共源共栅器件采用耐热封装，如 TO-247。E 模式器件在很大程度上更容易出现栅极噪声问题，因此必须仔细考虑与封装相关的寄生效应。因此，许多为此提供的产品都采用无铅平面封装。因此，封装级别的技术开发对于确保这些高功率密度器件所需的高散热能力至关重要。具有开尔文源极连接还允许在没有公共源极电感的情况下进行更精确的栅极控制。GaN Systems 推出了具有低热阻的创新 GaNPX® 封装。

微波功率器件的发展，对现代信息技术的进步产生了重要的影响。第一代硅(Si)半导体技术的发展奠定了现有信息技术的基础，第二代砷化嫁(GaAs)化合物半导体技术，在微波射频(RF)领域发挥了重要作用，手机的功率放大器是其主要的应用领域。第三代氮化嫁(GaN)化合物半导体技术在最近几年得到了长足发展，主要是第四代和第五代移动通讯大功率基站和雷达技术的应用需求。这些半导体技术的应用都和半导体材料的物理特性直接相关，材料特性决定了GaN在微波射频大功率器件应用领域有独特的优势。品质因数就是用来表征半导体高温、高功率以及高频特性的指标。

GaN HEMT芯片是新一代半导体器件，由于其优异的功率特性和频率特性，受到国内外广泛重视，成为各国高科技研发的重点。美国一直把GaN微波功率器件及微波单片集成电路(MMIC)作为重点支持的领域，自2001年起先后启动了宽禁带半导体技术创新计划和宽禁带半导体技术计划来推动GaN, SiC材料和器件的制造和改进。国外己开始用GaN功率HEMT器件来研制新一代相控阵雷达和高可靠的航空、航天电子装备。