具有逆向导通能力的GaN功率开关器件

第46卷第12期 2012年12月 电力电子技术 6，2 012 具有逆向导通能力的 进 一，姚 尧 ，张 波 ，刘 扬 (1中山大学，物理科学与工程技术学院，广东广州510275； 2电子科技大学，微电子与固体电子学院，四川成都610054) 摘要：介绍了一种具有逆向导通能力的电子迁移率晶体管(通过在 栅极与漏极之间插入一个肖特基电极并与源极连接，而相当于一个功 率开关与二极管反并联结构。通电阻与传统器 件制造上，需额外的光刻版及加工流程。因此，在电机驱动等需要反向续 流的功率系统中，供了一种更具成本优势的方案。 关键词：晶体管：逆向导通：体二极管 中图分类号：献标识码：A 文章编号：1000100X(2012)12006702 ，o ，1at10275， aN Cis is as a to a in he Cis to of on he of is no in as a a by o511777175)；o201 10171 1 10021) 1 引 言 续流二极管在开关功率系统中使用广泛。例 如在电机驱动电路中功率开关往往与一个续流 二极管反向并联当功率开关器件关闭时二极管 给负载提供一个反向续流通路【卜 。逆导型开关器 件将续流二极管与功率开关的功能集成在一个器 件中，从而在电路中无需使用独立的续流二极管。 由于器件正向与逆向使用同一芯片面积导电，因 此减小了芯片面积，降低了成本，开关器件与二极 管之间由于温度不均匀和互联引起的可靠性问题 也得到缓解3。 传统功率具 有逆向导通能力。而常 基金项目：国家自然科学基金(511777175)；教育部博士项 目基金(20110171110021) 定稿日期：20者简介：魏进(1987一)，男，四川江油人，硕士，研究方 向为功率电子器件。 不具有逆向导电能力。获得具有逆向导电能力的 件。因此得到了广泛研究。然而有在使用漏极电压驱动 到使栅漏电压大于阈值电压的状态，从而达到体 二极管的效果。然而按照该方案，逆向导通压降远 大于正常的二极管电压。在此将介绍一种开关器件通常在栅漏之间一个额 外的肖特基电极引入一个寄生体二极管从而获 得具有逆向导通能力的2原理与设计 图1示出功率一种 常用的逆导型功率开关。常规的个而不能逆向导通。然而通过集电极 短路的方式(即在能 给到67 第46卷第12期 2012年12月 电力电子技术 6，2 012 国冒 (a)b)1 传统逆导型功率开关器件 器件导通电阻的情况下，减小器件的饱和电流将 带来更好的短路安全性。在此对器件进行了击穿 测试分析，结果如图3见，器件击穿电压 在130150 V。如此低的击穿电压是受限于材料的 漏电。因此还需进一步提高材料质量以分析 2见，该器件不具有 过在栅极靠近漏极一 端加入一个肖特基电极得到了图2C 与源极相连，从而逆向工作时，S 与 漏极之间形成了一个肖特基二极管。工作时，与传统过栅极控制 4 0 其下二维电子气(2从而控制器件的开关。 2欧姆接触 (a)传统b)2结构对比 of 实 验 实验中pm，栅源间距3 m， 栅漏间距30 pm，栅极与S 间距2 pm，S 长4 m， 栅宽15 pm。材料生长步骤参见文献5】。欧姆接触 的金属为1u。肖特基接触的金属为此使用1505为评价先测试了 图3a 所示。测试中，源极接地，栅极施加一8 V(闽值电压 约为一5 V)，使得沟道关断。可见，传统个很大的逆向电压才能开始导电而如此高的 导通电压是功率系统中不能接受的。低的电压下就可获得较大逆向电流。图3的正向工作特性。统器件相近，分别为2O4 n Qn见，40。由于功率开关器件通常工作在线性区 所以最大饱和电流的减少并不会带来太大的不利 影响。相反，在实际工作中，由于系统故障造成的 负载短路往往将功率器件驱动到高电压、高电流 的饱和工作区，导致器件发热损坏因而在不损坏 68 (a)逆向导通特性对比 “D V (b)c)关断特性对比 图3实验波形 结 论 介绍了一种具有逆向导电能力的C 验表明，导通电流。从而在电机驱动等功率系统中可避 免使用额外的续流二极管。压与传统大饱和电流比传统 利于提高短路安全性。还可看出， 、高性能的解决方案