GaN транзисторы: описание и преимущества по сравнению с MOSFET


Сегодня есть множество вариантов транзисторов, сочетающих различные технологии с различными полупроводниковыми материалами. В результате может возникнуть сложность при выборе того, какой из них наиболее подходит для конкретного электронного проекта. Среди этих вариантов есть и GaN-транзисторы, но что отличает их от других?

Что такое транзистор вообще

Транзисторы выполняют две основные задачи в схеме: они либо усиливают входной ток, либо действуют как переключатели — и обе функции являются критически важными для современной электроники. Транзисторы можно найти в устройствах цифровой электроники; включая радар, системы управления воздушным движением, исследование космоса и телекоммуникации, зарядки и источники питания.

Транзисторы делятся на две основные категории в зависимости от того, как они работают: BJT (транзисторы с биполярным переходом) или FET (транзисторы с полевым каналом). Особый интерес представляют HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов), которые часто используются в усилителях высокой мощности для радиопередатчиков.

Основа GaN транзисторов

Полупроводниковым материалом, используемым для транзисторов, традиционно был кремний, но инженерам доступны и другие варианты. К ним относятся SiC (карбид кремния), GaAs (арсенид галлия) и GaN (нитрид галлия). Из этих вариантов GaN становится наиболее предпочтительным полупроводниковым материалом для многих применений транзисторов.

GaN обладает высокой подвижностью электронов, обеспечивая больший коэффициент усиления на более высоких частотах, и делает это с большей эффективностью по сравнению с эквивалентной технологией LDMOS (полевой МОП-транзистор с боковой диффузией). GaN также имеет высокую энергию активации, что приводит к отличным термическим свойствам и значительно более высокому напряжению пробоя.

Преимущества транзисторов GaN

Транзисторы GaN на SiC предлагают многочисленные преимущества по сравнению с более традиционными технологиями. К ним относятся более высокая плотность мощности, более высокое напряжение пробоя, более высокая теплопроводность и сниженная потребляемая мощность. Эти преимущества могут привести к повышению эффективности (даже на более высоких частотах), уменьшению форм-фактора, повышению надежности и лучшей в своем классе производительности. Использование GaN-транзисторов отвечает ключевым требованиям ВЧ, таким как высокий коэффициент усиления, низкое энергопотребление, высокая пропускная способность и чрезвычайно высокая скорость переключения.

Например, когда транзисторная технология GaN используется в усилителях для телекоммуникаций, она поддерживает гораздо более широкую полосу пропускания сигнала. Усилители, использующие GaN HEMT, могут использовать преимущества более высоких частот и, как следствие, более эффективно обрабатывать трафик, чем их традиционные аналоги на основе кремния. Требуется меньшее количество усилителей, что снижает затраты на эксплуатацию и развертывание, поскольку требуется меньшее количество оборудования. Кроме того, GaN-транзисторы позволяют многочисленным системам, таким как управление воздушным движением, работать в диапазонах частот L, S, C, X и Ku.

Транзисторы GaN могут работать в более широком диапазоне температур и хорошо работают в суровых условиях, что делает их идеальным выбором для радиостанций. Для критически важных ВЧ-приложений, где сбой невозможен, рекомендуются именно транзисторы GaN на SiC из-за их высокой надежности.

Где используются GaN транзисторы

Транзисторы типа GaN оказывают значительное влияние на отрасль связи благодаря своим возможностям быстрого переключения и небольшой, легкой и прочной конструкции. GaN на SiC HEMT можно найти в TCAS (тактическая система предотвращения столкновений), радиолокационных и широкополосных схемах, УВЧ-связи, бортовом Wi-Fi, системах управления воздушным движением и системах IFF (идентификация друга или врага) на военных самолетах. ВЧ-транзисторы GaN используются в SSR (вторичном радаре наблюдения) и спутниковой связи, а также в широкополосных и сверхширокополосных устройствах. Компоненты GaN на SiC также используются в передовых технологиях 5G. Фактически, системы 5G — это одна из областей, где транзисторы GaN на SiC оказываются незаменимыми из-за малой задержки и высокой скорости переключения.

Сравнение с МОП-транзисторами

Мощные кремниевые МОП-транзисторы не поспевают за эволюционными изменениями в отрасли силовой электроники, где основными требованиями сообщества являются эффективность, удельная мощность и меньшие размеры. В отрасли силовой электроники достигнут теоретический предел кремниевых полевых МОП-транзисторов, и теперь необходимо перейти на новый элемент. Нитрид галлия или GaN — это высокомобильный полупроводник, электронно-полупроводниковый (HEMT), который доказывает свою реальную эффективность.

Транзисторы GaN значительно быстрее и меньше, чем кремниевые МОП-транзисторы. Производительность GaN показывает, что эффективность и производительность значительно улучшились, что привело к нескольким новым приложениям, которые были невозможны с кремниевой технологией. Место на плате стоит очень дорого. А полевые транзисторы eGaN от EPC поставляются в небольших и недорогих корпусах LGA или BGA с низкой индуктивностью, низким сопротивлением. Кроме того, они предлагают разработчикам лучшее в своем классе по сравнению с полевыми МОП-транзисторами как в приложениях с жестким, так и с программным переключением.

Устройства переключения GaN доступны в двух различных типах: в режиме улучшения (e-GaN) и в режиме каскодного истощения (d-GaN). e-GaN работает как обычный полевой МОП-транзистор, даже если он имеет пониженное напряжение затвор-исток. Он предлагает более простой корпус, низкое сопротивление без внутреннего диода с двунаправленным каналом.

Транзистор d-GaN обычно включен и нуждается в отрицательном напряжении. Можно решить эту проблему соединив HEMT-транзистор последовательно с низковольтным кремниевым MOSFET, как показано на рисунке.

Напротив, транзистор e-GaN обычно выключен и включается при положительном напряжении, приложенном к затвору. Устройства e-GaN не нуждаются в отрицательном начальном смещении в отличие от d-GaN: при нулевом смещении на затворе устройство выключено и не проводит ток.

Порог e-GaN FET ниже чем у кремниевых MOSFET. Это обеспечивает очень низкую емкость затвор-сток (C GD). Его структура с малой емкостью позволяет коммутировать сотни вольт за наносекунды с частотой МГц. Емкость затвор-исток (C GS) — еще один параметр, который является большим по сравнению с C GD, что дает полевым транзисторам GaN хорошую устойчивость к dv/dt. Чувствительность dV/dt устройств переключения мощности обусловлена различными паразитными емкостями и сопротивлениями схемы управления затвором. Параметр Gate-Charge Qg, с другой стороны, указывает на способность устройства быстро изменяться, достигая более высокого значения dV/dT с минимальными потерями переключения. Устройства e-GaN в 10 раз лучше, чем MOSFET, а устройства d-GaN примерно в 2-5 раз лучше.

Чтобы определить чувствительность dV/dt силового ключа, можно использовать показатель качества, называемый отношением заряда Миллера (Q GD /Q GS1). Коэффициент заряда Миллера меньше 1 гарантирует теоретическую невосприимчивость к dV/dt. Компоновка схемы управления затвором становится решающим фактором в повышении устойчивости к dV/dt.

Транзистор d-GaN имеет затвор низковольтного кремниевого МОП-транзистора. Таким образом, существующие драйверы затворов MOSFET могут легко управлять переключателем d-GaN. Неблагоприятным эффектом устройств на d-GaN является более высокое сопротивление воспламенению из-за добавления сопротивления воспламенению кремниевого полевого МОП-транзистора. Увеличение может быть значительным для низких напряжений (<200 В). Для более высоких значений (600 В) добавочное сопротивление может составлять только около 5% от общего сопротивления во включенном состоянии.

Транзистор d-GaN имеет повышенную сложность компоновки. Паразитная индуктивность и емкость между устройством Mosfet и GaN HEMT могут вызвать задержку во время переходных процессов переключения. Характеристики обратной проводимости устройства важны для типов переключения. В МОП-транзисторах падение напряжения на внутреннем диоде мало, его обратное восстановление происходит очень медленно, что приводит к значительно большим потерям при переключении.

Устройства GaN не имеют диода с обратным корпусом, но могут проводить в обратном направлении из-за своей физической природы. В случае обратной проводимости необходимо будет иметь мертвое время. Устройство d-GaN в каскаде имеет обратное восстановление благодаря низковольтному кремнию, включенному последовательно MOSFET.

В преобразователях с жестким переключением выходной заряд рассеивается в полевом транзисторе при каждом включении питания. Эти потери пропорциональны QOSS, напряжению на шине и частоте коммутации. Полевые транзисторы GaN имеют значительно более низкую добротность OSS, чем кремниевые полевые транзисторы, что снижает потери выходного заряда за цикл и таким образом, обеспечивает более высокие частоты.

Решения для автомобильной промышленности

Новые вычислительные устройства требуют большей мощности в гораздо меньших форм-факторах. В дополнение к растущим потребностям рынка серверов, одними из самых сложных являются многопользовательские игровые системы, автономные автомобили и искусственный интеллект. функции и появление автономных транспортных средств, которые создают дополнительные требования к таким системам, как лидар, радар, камеры и ультразвуковые датчики, к схеме распределения энергии. Эти процессоры «прожорливы» и представляют собой дополнительную нагрузку для традиционных шин распределения питания 12 В в автомобильном секторе. Для шинных схем 48 В технология GaN повышает эффективность, уменьшает размер и снижает ее стоимость. Решение GaN 250 кГц с удвоенной частотой позволяет уменьшить размер на 35 %, что приводит к уменьшению потерь DCR катушки индуктивности, а также снижению стоимости схемы примерно на 20 % по сравнению с решением MOSFET. Исключительно высокая подвижность электронов нитрида галлия и низкий температурный коэффициент обеспечивают низкую добротность. Конечным результатом является устройство, которое может справляться с задачами с очень высокой частотой коммутации, а также с малым временем включения и с преобладающими потерями во включенном состоянии.

Мощные полевые транзисторы EPC eGaN предлагают более низкое сопротивление во включенном состоянии, меньшую емкость, более высокий ток и отличные тепловые характеристики, характеризующие эти силовые преобразователи с КПД более 98%. Это семейство полевых транзисторов eGaN уменьшает вдвое сопротивление (R DS (on)), что позволяет использовать приложения с высоким током и высокой плотностью мощности.

Последнее поколение полевых транзисторов eGaN также вдвое снижает показатель качества жесткого переключения по сравнению с предыдущим поколением для улучшения характеристик переключения в приложениях высокочастотного преобразования энергии. Повышение производительности GaN до 30 В может быть использовано для создания мощных DC/DC преобразователей, преобразователей PoL и синхронных выпрямителей для изолированных источников питания, ПК и серверов.

Самый маленький, самый экономичный и высокоэффективный неизолированный преобразователь 48 В – 12 В, подходящий для высокопроизводительных вычислений и телекоммуникационных устройств, может быть получен при использовании полевых транзисторов eGaN®, таких как EPC2045. EPC2045 имеет рабочую температуру от -40 до +150 °C с термическим сопротивлением di 1,4 °C/Вт. Сопротивление сток-исток в открытом состоянии 5,6 мОм.

На потребительском рынке портативные решения становятся все более «энергоемкими». Очень важно иметь возможность управлять эффективностью и температурным режимом, учитывая небольшой размер ноутбука, иногда с решениями для охлаждения, иногда почти нулевыми. Потребность в быстрых и эффективных зарядных устройствах привела рынок к новым решениям GaN.

Полевые транзисторы eGaN являются логичным выбором для использования при включении лазера в лидарной схеме, поскольку полевые транзисторы можно активировать для создания импульсов сильного тока с чрезвычайно короткой шириной импульса. Короткая ширина импульса приводит к более высокому разрешению, а более высокий импульсный ток позволяет лидарным системам видеть дальше. Эти две особенности в сочетании с их чрезвычайно малыми размерами делают GaN идеальным для лидара.

EPC предоставляет различные макетные платы. EPC9144 в основном предназначена для управления сильноточными лазерными диодами с сильноточными импульсами с общей шириной импульса 1,2 нс и токами до 28 А. Плата разработана на основе 15-вольтового полевого транзистора EPC2216 eGaN, сертифицированного для автомобилей AEC-Q101. Отладочные платы EPC9126 и EPC9126HC в первую очередь предназначены для управления лазерными диодами с помощью сильноточных импульсов с общей длительностью импульса всего 5 нс (10% от пика). Они разработаны с использованием 100-вольтовых полевых транзисторов (FET) EPC2212 и EPC2001C с улучшенным режимом (eGaN), способных выдавать импульсы тока 75 А и 150 А соответственно.

Беспроводная энергия

Беспроводная энергия готова войти в повседневную жизнь. Передатчики тока могут быть размещены в мебели, стенах, полах для эффективного и экономичного питания или зарядки электронных устройств на больших площадях и на нескольких устройствах. Концепция беспроводной передачи энергии известна уже некоторое время, если быть точным, более 100 лет, и восходит к изобретению катушки Теслы. Ключевым фактором беспроводной передачи энергии является эффективность: большая часть энергии передаваемой генератором должна достигать приемного устройства.

Технология магнитного резонанса является ключом к повсеместному внедрению, обеспечивая передачу на большие площади, пространственную свободу для позиционирования приемных устройств и возможность одновременного питания нескольких устройств.

Разрабочики уже предлагают полный спектр эталонных конструкций передатчиков и приемников, от зарядки одного устройства до одновременного питания нескольких устройств на большой площади. GaN обеспечивает высокую эффективность как для низкочастотного (Qi), так и для высокочастотного (AirFuel) стандартов, поддерживая более низкую стоимость; решение с одним усилителем передачи тока, которое может заряжать устройства без проводов независимо от стандарта, используемого в принимающем устройстве.

Схемы беспроводной зарядки, основанные на стандарте Qi, работают за счет индуктивной связи на частотах в диапазоне от 100 до 300 кГц.

Аудио устройства

Меньшее рассеивание мощности аудиосистем класса D производит меньше тепла, экономит место и затраты на печатные платы, а также продлевает срок службы батарей в портативных схемах. Полевые транзисторы GaN обеспечивают более высокое качество аудиоусилителей класса D. Однако в последнее время, когда стали реальностью устройства на основе транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе GaN с гораздо лучшими физическими свойствами, скачок в производительности усилителей класса D также не за горами.

Низкое сопротивление и малая емкость полевых транзисторов eGaN обеспечивают низкие переходные интермодуляционные искажения (T-IMD). Возможность быстрого переключения и нулевой заряд обратного восстановления обеспечивают более высокую линейность выходного сигнала и низкий уровень перекрестных искажений для снижения общих гармонических искажений (THD).

Усилители First-Class D были разработаны для автомобилей, потому что они хотели иметь больше динамиков и больше мощности в автомобилях. Усилители класса А были слишком большими, чтобы выдавать более 25 Вт, и при этом помещались на приборной панели. Класс D был впервые представлен в 1980-х годах и позволял использовать автомобили с 16 динамиками и мощностью 250 Вт. Однако качество звука никогда не было таким хорошим, как у усилителя класса A с классом D. Это связано с тем, что полевые МОП-транзисторы не могут переключаться достаточно быстро, и, следовательно, относительно низкая частота переключения означает относительно низкое качество воспроизведения. А с устройствами GaN можно выйти на гораздо более высокие частоты.

Космические устройства

Нитрид галлия в его расширенной версии (eGaN) широко используется при разработке космических схем. Коммерческие силовые устройства GaN обеспечивают значительно более высокую производительность, чем традиционные устройства Rad Hard, основанные на кремниевой технологии. Это позволяет внедрять инновационные архитектуры для спутников, передачи данных, дронов, робототехники и космических кораблей.

Таким образом полевые транзисторы eGaN обеспечивают радиационную устойчивость, высокую скорость переключения, повышенную эффективность, что приводит к меньшим и легким источникам питания (меньшие размеры радиатора или даже отсутствие радиаторов во многих случаях, как в новых БП ПК). Транзисторы eGaN меньше, чем эквивалентные полевые МОП-транзисторы. А более быстрая переходная характеристика также может уменьшить размер конденсатора.