【传方半导体】常闭耗尽型（D-Mode）与增强型（E-Mode）氮化镓晶体管本质优势对比之简短指南白皮书_11页_3mb

白皮书总结：Normally-off D-Mode氮化镓晶体管的根本优势

核心内容

本白皮书重点介绍了Normally-off D-Mode氮化镓晶体管相较于Normally-off E-Mode晶体管的优势，并强调了D-Mode结构如何更有效地利用氮化镓材料的天然特性。通过与硅MOSFET的结合，D-Mode结构不仅实现了常闭操作，还保留了氮化镓的高性能与高可靠性，从而成为下一代电力电子解决方案的优选平台。

主要观点

1. 氮化镓晶体管的天然优势

• 氮化镓晶体管的成功得益于其材料中的二维电子气 (2DEG)，它提供了极高的电子迁移率和电荷密度。
• 2DEG在GaN和AlGaN界面处自然形成，无需外部栅极电压，使得器件在自然状态下处于导通状态（常开）。
• 为了实现常闭操作，需要对栅极施加负偏压以耗尽沟道中的电子，这便是Normally-off D-Mode技术的核心。

2. Normally-off E-Mode的局限性

• Normally-off E-Mode晶体管通过使用p-GaN栅极来控制2DEG，但这会对2DEG的天然优势产生负面影响。
• 这种设计导致：
  • 动态阈值电压 (Vth) 问题，增加导通电阻和功率损耗。
  • 栅极隔离缺失，导致栅极电流增加，限制最大栅极电压。
  • 温度敏感性，导致跨导下降和开关损耗增加。
  • 较高的导通电阻温度系数，在高温下显著增加导通损耗。
  • 封装和驱动限制，如需要负电压驱动、限制漏极电压最大额定值等。

3. Normally-off D-Mode的优势

• D-Mode结构通过将氮化镓HEMT与低压硅MOSFET结合，实现了常闭操作。
• 优势包括：
  • 无需负电压驱动，简化电路设计，减少死区时间损耗。
  • 保持高跨导，不受温度影响。
  • 导通电阻和反向恢复电荷 (Qrr) 均较低，且具有更高的效率。
  • 支持多种封装形式，包括通孔、表面贴装和多芯片模块。
  • 适用于系统级封装集成，提供更大的设计灵活性。

4. 实际应用表现

• Transphorm的Normally-off D-Mode器件（SuperGaN）在实际电源适配器中表现出更高的效率和更低的机壳温度。
• 即使其数据表中导通电阻比E-Mode高30%，其整体性能仍优于E-Mode器件。
• D-Mode结构支持短路耐受时间 (SCWT) 达5微秒，满足商用栅极驱动器的要求。

关键信息

• 2DEG 是氮化镓晶体管性能的核心，其电子迁移率高达 $2000 \mathrm{~cm}^{2} / \mathrm{V} \cdot \mathrm{s}$。
• Normally-off E-Mode器件需要负电压驱动，增加了电路复杂性和功率损耗。
• Normally-off D-Mode器件通过硅MOSFET实现常闭操作，无需改变HEMT结构，保留其天然优势。
• D-Mode结构的SiN/Si界面提供自然栅极隔离，支持更高的栅极电压额定值（+/-20V）。
• D-Mode器件在高温下表现更稳定，具有更小的导通电阻温度系数。
• D-Mode结构支持双向开关，且无需额外引脚或掩模，简化了封装设计。
• D-Mode器件的寄生电感低，有利于快速开关和高性能表现。

误区澄清

1. 误区一：硅MOSFET会增加导通电阻和反向恢复电荷

   • 实际上，硅MOSFET的导通电阻和反向恢复电荷在整体系统中占比极小，且D-Mode器件的FOM (Ron*Qrr) 显著优于E-Mode器件。

2. 误区二：Normally-off E-Mode器件没有Qrr

   • Qrr并非常零，它等于输出电容Qoss，因此在反向恢复期间仍需充电。

3. 误区三：D-Mode GaN会振荡

   • D-Mode GaN具有高增益，但通过合理的电路设计可以有效抑制振荡，提升开关性能和系统稳定性。

总结

Normally-off D-Mode氮化镓晶体管通过与低压硅MOSFET的结合，实现了常闭操作的同时保留了氮化镓材料的高性能和高可靠性。相比E-Mode技术，D-Mode在导通电阻、开关损耗、温度稳定性、封装兼容性以及系统集成方面均具有显著优势。Transphorm的SuperGaN平台代表了当前氮化镓技术的领先水平，为电力电子行业提供了革命性的解决方案。