正在本文中，咱们对墟市上可用于现时和下一代电力电子的碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 晶体管实行了总共的回来和预测。起首斟酌了 GaN 和 SiC 器件之间的质料性格和构造分歧。基于对差别商用 GaN 和 SiC 功率晶体管的判辨，咱们形容了这些本领的最新希望，核心先容了优先功率转换拓扑和每个本领平台的合节性格。

　　文中，咱们还回来了 GaN 和 SiC 器件确现时和另日操纵范畴。本文还陈诉了与这两种本领干系的首要牢靠性方面。关于 GaN HEMT，形容了阈值电压安靖性、动态导通电阻和击穿范围，而关于 SiC MOSFET，判辨还偏重于栅极氧化物（gate oxide）阻碍和短道 (SC) 稳妥性。

　　结尾，咱们概述了此类质料正在差别范畴中的远景。并指出了这两种本领另日能够的革新和开展。夸大了羼杂转换器（hybrid converters）的恳求以及本能的尽心优化和更始优化器材的操纵。

　　别的，咱们需求阐发一下，该文写于2024年四月，所以内中合于少少现时的希望能够稍微有点差别，但不影响对总共财产的评议。

　　此刻，淘汰对化石燃料的依赖是缓解天色转变的合节方针。正在此后台下，电力转换器（electric power converters）的效能、可再生能源的操纵以及百般车辆和编造的电气化发扬着至合厉重的效力。

　　实在而言，抬高电力转换器的效能是一种俭仆能源的法子，不然这些能源将会流失，从而抬高仍然通常采用的编造（如电源、暖通空调编造等）的合座效能。这是一种极端经济有用的式样，无需投资新的本原方法即可减省巨额能源。

　　正在过去的几年里，人们仍然旁观到电气化的普及趋向，加倍是正在高功率闲居用品中，比方车辆、厨房工具和情况加热编造，这使得这种效能革新变得特别紧急。正在通盘存正在多个转换举措（从互换到直流、从直流到直流等）的范畴，比方汽车或光伏编造，这一点尤为厉重。操纵基于新质料的晶体管可能大幅抬高电源转换器的效能，与更古板的硅器件比拟，这些基于新兴质料的晶体管拥有更好的本能和牢靠性。

　　应对这一挑衅的一个极端有愿望的法子是操纵宽带隙 (WBG) 半导体。因为这些质料的性格，它们可能创造电力电子器件（晶体管、二极管），正在很多境况下，这些器件的本能优于目前可用的 Si 基器件。表 I 陈诉了最干系的 WBG 半导体的物理性格以及与硅的比拟。

　　与硅比拟，WBG 质料供给了更高的临界电场，从而可能告终正在更高电压下管事的功率转换器，同时供给低导通电阻和高热导率。正在感笑趣的 WBG 半导体中，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 为告终用于电源转换器（直流互换逆变器和直流直流转换器）的高压开合供给了精巧的本能，最厉重的是，它们拥有最高的成熟度和工业化水准：所以，目前已有多种商用开发可用，而且已被用于很多操纵。

　　除了 SiC 和 GaN 以表，从筹议角度来看，其他 WB 半导体（比方氧化镓、金刚石和氮化铝）也惹起了人们的极大笑趣，但它们目前的成熟度水准如故窒息了旨正在短期内投放墟市的工业投资。即使如许，这些质料关于特定应工拥有厉重意思，而且仍然呈现了可用的开发。另日，WB 半导体将正在电力电子墟市中占据更大的份额。因为各个质料的性格，咱们应当守候差别本领的共存，每种本领都偏重于特定的操纵。

　　从这个角度来看，本文形容了目前最进步的商用SiC和GaN功率晶体管确现时性格。正在第二局限中，咱们从分立器件的角度形容了现时的墟市景遇，通过比拟SiC和GaN晶体管（首要正在650V鸿沟内），并夸大了基于这两种质料和硅基器件之间的首要区别；正在第三局限中，咱们形容了此类半导体器件确现时和另日操纵；正在第四局限中，咱们斟酌了SiC和GaN进一步开展中面对的挑衅，以及可意思的操纵范畴；结尾，正在第五局限中，咱们先容了合于这两种质料的概念。

　　从史册上看，第一个惹起电力电子范畴笑趣的 WBG 半导体是 SiC。这首假若由于它与硅拥有很强的亲和力，这使得可能轻松复造仍然固化的器件构造。别的，SiC 拥有SiO2动作自然氧化物，其性格和加工本领仍然从对硅基电子器件实行的长远而通常的筹议中获得了长远筹议。所以，可能火速启动 SiC 本领的拓荒。正在电力电子范畴先导筹议这种质料十年后，即 1990 年操纵，第一个 SiC 肖特基二极管得以贸易化。从那时起，本领的不停革新使 SiC 正在高达 1700 V 的电压鸿沟内上市，用于 MOSFET、结型场效应晶体管 (JFET) 和二极管。

　　GaN 的史册始于发光二极管 (LED) 范畴，并正在 1990 年操纵先导惹起电力电子范畴的合怀，当时的 SiC 晶体管初次演示可追溯到 1991 年。然而，与 SiC 的境况差别，GaN 并没有工业常识，所以需求更长的年光来获取和安靖该本领。AlGaN/GaN 高电子转移率晶体管 (HEMT) 敷裕诈骗了 GaN 的上风：因为存正在原生 2-D Electron Gas (2DEG)，这种器件可能告终低导通电阻和高开合频率晶体管。第一个商用 GaN 功率场效应晶体管 (FET) 由 Zhong 等人引入墟市，比第一个商用 SiC 器件晚了十年。此刻，得益于筹议和工业层面的不停竭力，墟市上可能找到额定电压高达1200V的 GaN HEMT，即使人人半可用产物的额定电压为650V或以下。据作家所知，目前还没有墟市上发售的分立式 GaN 功率二极管。

　　要告终贸易化，功率晶体管务必满意三个首要恳求：1) 也许支柱足够高的电压和功率；2) 拥有低开合和传导损耗；3) 告终常合操作。所判辨的 WBG 半导体的固有性格使其适合创造与前两个管理兼容的器件，即操纵于告终这一方针的构造正在 SiC 和 GaN 之间存正在明显分歧。

　　合于基于 SiC 的晶体管，此刻，墟市供给了两种差另表办理计划：笔直 MOSFET（拥有平面或沟槽栅极）和共源共栅笔直 JFET。这两种构造都满意常合操作的恳求，分歧如图 1(a)-(c) 所示。

　　相反，GaN 应许告终 HEMT，正如仍然斟酌过的。然而，AlGaN/GaN HEMT 是一种常开器件，分歧用于阻碍平和电源操纵。为了告终常合操作，目前通常采用两种有用本领：1) 操纵 p-GaN 栅极客栈，如图 1(d) 所示；2) 操纵共源共栅设备 ，如图 1(e) 所示。目前，正在文件中提出的很多其他拓扑中，这是墟市上仅有的两种 e-mode GaN FET 拓扑。这些 GaN 和 SiC 拓扑的首要益处和谬误将正在后面斟酌。

　　目前，SiC 采用高压功率晶体管，涵盖多个电压等第：650、900、1000、1200 和 1700 V。别的，供应商还供给添置集成栅极驱动器（统一封装中的硅驱动器）晶体管和带温度传感的完备功率模块的能够性。

　　相反，GaN 遮盖了从 15V 到 1200 V 的宽电压鸿沟。然而，就高电源电压而言，基于 GaN 的器件的宣传险些十足限定于 650 V 鸿沟，由于墟市上仅供给一家供应商的 900 V 办理计划和一家供应商的 1200 V 级办理计划：正在900V以上，基于 SiC 的晶体管如故是功率转换电道策画的首选。至于 SiC，供应商还供给集成栅极驱动器的晶体管，以及完备的功率模块。别的，GaN 供应商还供给了添置拥有单片集成驱动器的晶体管的能够性，这一点至合厉重：

　　1）为了淘汰栅极环道电感（以最大节造地淘汰导通时代的栅极应力）；2）为了减轻共源电感（以告终更高的压摆率）；3）应许策画高效的热和电流保卫电道。

　　为了进一步会意并更好地领略市售办理计划之间的分歧，咱们断定比拟 650 V 鸿沟内的 SiC 和 GaN 分立晶体管，以及少少额定电压更高的产物，以实行更总共的判辨。表 II 陈诉了从比拟开发的数据表中提取的首要参数，这些开发来自差另表创造商（非细致列表）。拔取基于陆续漏极最大电流才华（30A到50A之间）和表率导通电阻值（约50mΩ），以便实行公正比拟。

　　合于 650 V 鸿沟，比拟了差另表 SiC FET、GaN FET 和一个 Si MOSFET。RON×QG品格因数 (FOM) 代表了评估 FET 效能的通常宣传的目标，由于它思考了传导和开合损耗。

　　从策画角度来看，很难同时低落导通电阻和总栅极电荷，所以该 FOM 是一个很好的比拟本原（即使它不是独一可能依赖的本原）。此中，GaN e-mode HEMT 显示出较低的RON × QG 值，与基于其他半导体本领的比赛敌手比拟起码抬高了四倍（从 SiC 和 Si 器件的 RON × QG 1500 m ·nC 到 RON × QG 300 m · nC）。

　　要是思考共源共栅 GaN HEMT，则革新仅限于两倍。从动态角度来看，GaN e-mode 晶体管的输入电容 CIN 要低得多（正在 200 pF 鸿沟内），而 GaN 共源共栅 HEMT 的输入电容 CIN 较高（因为用于驱动常导通器件的硅 MOSFET）和 SiC 晶体管（高于 900 pF）。

　　别的，务必幼心的是，GaN e-mode HEMT 的反向光复电荷为零（因为没有经典的 MOSFET 体二极管），SiC 和 GaN 共源共栅 HEMT 的反向光复电荷为 100 nC 量级，而 Si MOSFET 的反向光复电荷则正在数千 nC 鸿沟内。高反向光复电荷会导致转换器效能低落，并能够导致管事时代电压和/或电流尖峰，这表白较低的值是可取的。图 2(a) 通过雷达图对上述参数实行了图形比拟，杰出了 GaN HEMT 的更好本能。

　　正在功率晶体管的比拟中，其他厉重参数包罗开启延迟年光 (td-on)、上升年光 (tr)、合上延迟年光 (td-off) 和低落年光 (tf)。它们形容了晶体管火速开启和合上的才华。从这个角度来看，这里判辨的差别本领之间的分歧并不那么分明，即使图 2(b) 中陈诉的雷达图显示，GaN e-mode HEMT 均匀展现出更好的本能。另一方面，因为存正在硅 MOSFET，GaN 共源共栅 HEMT 的开启/合上才华较慢，与 GaN e-mode 器件比拟，而与 SiC 和 Si 功率晶体管比拟，其本能相当。要是以开启/合上年光为参考目标，GaN 功率 e-mode FET 能够是首选。

　　更高的电压鸿沟关于差别范畴的电力电子的另日拥有厉重意思，所以，对额定为此类管事形式的器件实行扼要比拟是值得的。因为目前 GaN 的电压最高可达 1200 V，咱们比拟了 900V 和 1200 V 鸿沟内的 GaN 和 SiC（650 V 除表），并操纵图 2 顶用于 650 V 墟市细分比拟的相像雷达图。关于图 3 总结的更高电压细分中的这种新比拟，每个电压鸿沟和每个半导体本领都包括一个器件。表 II 中的 900 V 硅 MOSFET 无论怎样都被废除正在表，由于它的本能与通盘其他产物都无法比拟。

　　图 3 的雷达图再次夸大了 GaN 晶体管更好的动态本能，纵然正在这些更高的电压鸿沟内也是如许，说懂得之前对 650 V 鸿沟的陈述。即使如许，务必夸大的是，目前高压 GaN 晶体管的本能和牢靠性仍正在优化中。别的，值得指示的是，正在 900V-1200 V 电压鸿沟内，墟市上唯有两种基于 GaN 的办理计划，而 SiC MOSFET 可轻松告终 1700 V 操作，很多差另表着名供应商供给数十种拔取。

　　从本钱角度来看，基于这两种质料的同类分立器件的价值分歧有限。要是咱们比拟表 II 中 650 V 器件的发售价值，截至 2023 年 8 月，基于 Si 的器件最低廉。GaN 分立晶体管的价值将上涨 30%，SiC 分立晶体管的价值将上涨 50%，但仍低于 18 美元。关于更高电压的开发，本钱特别联合，Si 开发的价值与 SiC 和 GaN 的价值持平，而 SiC 和 GaN 的价值上涨了 20%（有关于 650 V 鸿沟）。这表白，正在这两种本领之间实行拔取对转换器的物料清单 (BOM) 的影响有限。

　　然而，要是咱们思考到某些开发应许转换器以更高的频率运转，从而需求更少的笨重和腾贵的无源元件，那么总体本钱的推理就会爆发转变。大凡来说，上面陈诉的雷达图有帮于领略为什么正在高压和高功领导域，电力电子正正在转向 SiC 或 GaN 等 WBG 半导体。

　　除了单个晶体管表，包罗多个开发的模块也已贸易化。这些模块旨正在大幅淘汰寄生元件的无益影响，寄生元件会紧张范围高频操作时代的本能，并改革热统造，最终告终更高功率密度下的高压和高电流操作。这些模块可能包括百般能够设备的晶体管（要是是 SiC，则包括二极管），比方半桥或全桥，以便正在与特定表部组件配对时轻松告终差另表电源转换器拓扑。

　　与基于 Si 的器件比拟，SiC 和 GaN 功率晶体管更幼（减幼了芯局部积），这是由于击穿场更高（3mV/cm），并且因为能带隙更宽，所以也许担当更高的温度。因为 RON 更低，传导损耗也低落了，从而有帮于抬高电源转换器可告终的合座效能，最终需求更幼的散热器和冷却编造。从动态角度来看，低落的输入电容和栅极电荷有帮于简化器件驱动，并应许更高频率和更低损耗的操作。

　　通过采用 SiC 和 GaN 器件可告终的效能和幼型化水准有利于拓荒高效的直流-互换和直流-直流转换器，从而可能减轻电子元件的重量和体积，这关于电动汽车等电池供电操纵极端厉重，并可能抬高功率密度。

　　即使 SiC 和 GaN 基晶体管从很多角度来看都拥有多种上风，但它们并未正在通盘可从其性格中受益的范畴获得通常采用。目前，此类开发正在两个差别范畴发扬着厉重效力。SiC 基开发通常操纵于羼杂动力和电动汽车牵引逆变器（特斯拉自 2017 年从此操纵 SiC 晶体管），同时正在超等跑车和赛车的车载充电器 (OBC) 和牵引逆变器中也可能找到它们，但数目较少。所以，SiC 晶体管目前首要针对汽车墟市。

　　另一方面，GaN 每每用于告终智好手机和 PC 的电源和充电器，由于与古板的 Si 基互换-直流转换器比拟，更高的可告终开合频率使更高功率的充电器体积减幼了三倍。正在高端光伏逆变器中，GaN基晶体管的用量也较低，这表白目前GaN功率器件更面向消费电子产物。

　　因为本钱不停低落和最大管事电压不停抬高，另日更多范畴将受益于 SiC 和 GaN 的特别本能。

　　特殊是，基于上述两种 WBG 质料的晶体管希望进一步进入目前由硅器件主导的范畴，比方 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、栅极合断 (GTO) 和可控硅整流器。这两种本领的实在操纵范畴当然取决于方针电压水准，如图 5 所示。

　　1) 400 V 以下，GaN 希望攻陷墟市主导身分。此鸿沟对应于单相和三相编造的最专家用电源电压，涉及通盘家用电器、消费电子产物（智好手机、部分电脑及其充电器）和数据中央的电力电子开发。

　　2) 正在 400 至 1200 V 之间，SiC 和 GaN 希望团结和共存，实在取决于每个操纵中经管的功率水准。正在此电压鸿沟内，可能找到用于可再生资源的逆变器、工业电机支配器和汽车范畴的多种操纵。因为对汽车电气化的笑趣和需求日益扩大，后者对这两种半导体都拥有极大笑趣。正在羼杂动力和/或电动汽车内部，差另表电器诈骗功率转换器，所以诈骗功率晶体管（见图 6）。告终电力电子元件的高效能、幼尺寸和低重量关于拉长车辆行驶里程、抬高舒服度和车辆本能至合厉重。

　　3) 正在 1200 V 以上，SiC 希望正在电力列车牵引、风力涡轮机操纵和智能电网中发扬基性子效力。目前，电力列车牵引对 SiC 来说极具吸引力，由于感笑趣的电压正在 kV 鸿沟内（普及列车最高 5 kV），此中 SiC 险些可能替换硅器件（首假若 GTO 和 IGBT），并带来更高的本能和效能。除此以表，SiC 还将正在运转电压更高的编造中发扬效力，比方高速列车，其电压能够需求高达 25 kV。

　　关于 GaN，咱们先导思考 USB-C 适配器的境况，它是 GaN-on-Si 产物墟市上最疾的采用者。功率水准可能从 33 到 250 W。要是咱们思考负载低于 70 W 的操纵，此中不需求功率因数校正 (PFC)，最常见的拓扑是准谐振反激式，其次是有源钳位反激式。GaN 器件可能到达极端高的频率，但正在这些境况下，它们被范围正在 300 kHz 以避免电磁骚扰 (EMI) 题目。关于更高功率的操纵，因为需求 PFC Boost 级动作前端，所以采用多级拓扑。以下各级的拓扑与上面形容的相像，但也包罗桥式拓扑。当需求多个输出电压时，也可能操纵基于 Si 的级：正在这种境况下，基于 Si 的开合用于担负直流-直流转换的结尾级。

　　结尾，正在这种境况下，基于 GaN 的策画可能告终更大的功率密度，约为 1.5-1.9 W/cm³，2015 年 Google LittleBox 挑衅赛的结果为 8.7 W/cm³。然而，正在策画钳位电道时务必粗枝大叶，最好是有源的，并思考电压应力，以供给妥当的余量，并避免 GaN 器件中的漏极-源极击穿。

　　操纵 GaN 如故可能经管更高的功率 (250W)，但正在这种境况下，软开合或零电压开合 (ZVS) 拓扑是首选。实在来说，思考谐振 LLC 拓扑。正在半桥设备中，操纵 GaN 器件可能告终更高的频率和效能。如第掐面所述，GaN 器件的栅极电荷、输出电容和反向光复年光和电荷淘汰，从而分歧低落了驱动损耗、开合损耗和反向光复损耗。

　　别的，GaN 器件使无二极管 H 桥设备成为能够，拥有反向传导才华。这些也可能通过并联二极管的 IGBT 或操纵 Si MOSFET 的内部体二极管来告终，但 GaN 办理计划效能更高，由于它的 Qrr 要低得多。SiC 器件用于高功率操纵，而且仍然用于告终桥（或用于列车牵引的斩波器）拓扑的模块中。这些开发和模块每每用于高功率经管的逆变器中。特殊是正在 PV 逆变器的境况下，思考了差另表拓扑构造，从两级、六组根基拓扑构造到更进步的三级拓扑构造。效能和零件数目标最佳拔取是 T 型中性点钳位拓扑构造。

　　SiC 晶体管也被思考用于 MW 鸿沟内的高功率、无变压器策画：比方，它们用于列车牵引编造，以使低频互换接触网电压适宜驱动电机所需的更高频率互换电压。这是通过妥当级联互换-直流、直流-直流和直流-互换转换器来告终的，比方，对直流-直流局限操纵谐振 LLC 转换拓扑，如干系计划中形容的 2 MW。

　　通过将 SiC 二极管纳入古板转换器，也可能诈骗 SiC 的上风。通过诈骗其较幼的尺寸、火速的反向光复和高温耐受性，可能告成告终羼杂策画。

　　咱们正在前面的局限中仍然看到了 SiC 和 GaN 功率器件怎样正在越来越多的用例中获得采用，这些用例敷裕诈骗了它们的特别本能。然而，正如学术界和工业界所做的那样，急迫需求不断的筹议和拓荒历程，不但要抬高器件本能，还要抬高其牢靠性。为此，正在比拟 SiC 和 GaN 器件时，需求办理的挑衅每每是差另表，由于这两种质料本领的成熟度水准差别，并且每每采用特另表器件构造，如图 1 所示。

　　实在而言，应幼心正在通道内引入和范围载流子的分歧。比方，SiC 基 MOSFET 构造中氧化物的存正在有帮于淘汰栅极干系败露，从而改革范围，但它也导致了与每每爆发正在 GaN HEMT 栅极客栈中的物理历程差另表电荷逮捕场景。

　　别的，古板 Si 基 MOSFET 的经典构造和掺杂计划正在 GaN HEMT 中不存正在，此中通道是因为 GaN 的极化性格而造成的：这也会影响 GaN 器件正在特定应力场景中的相应。

　　无论操纵何种质料，功率晶体管拓荒中的一个合节挑衅是缓解管事历程中爆发的不良阈值电压 (Vth) 偏移（无论是正向偏移仍然负向偏移）。比方，思考一个常闭器件，正向 Vth 偏移会低落器件的合座本能，由于它会导致过驱动电压低落。这会扩大导通电阻，并能够触发器件过早合上。另一方面，负向 Vth 偏移能够会导致更倒霉的境况，即因为误导通事情或合上状况被控造，器件支配会局限遗失。正在开合转换器中，这种能够性组成紧张风险，由于它们能够导致差别电源线之间造成短道 (SC)，最终导致编造爆发灾难性阻碍或导致担心全的操作条目。

　　关于硅器件，这些题目早已获得支配，这种成熟度由共源共栅设备对 Vth 偏移的稳妥性证实，此中 WBG 器件由古板的 Si 基器件支配。然而，关于基于 WBG 质料的其他类型晶体管，这个题目是存正在的，需求加以办理。筹议 Vth 偏移的表率法子或加快应力条目是偏置温度担心靖性 (BTI)，或正在栅异常子处正在差别温度下施加正 (PBTI) 或负 (NBTI) 偏置。正在 GaN 天下中，关于未优化的 e-mode HEMT，差另表机造可能正在正偏置应力下导致正和负 Vth 偏移，如图 7 所示。

　　跟着栅极堆叠工艺的转变和优化，可能平均差另表机造，加强或淘汰电子或空穴逮捕，以平均正负 Vth 偏移，从而导致安靖的 Vth 。Vth 偏移实践上是由逮捕景象惹起的，而位于界面和器件差别区域内的缺陷的存正在又滋长了这种景象（见图 8）：所以，界面和质料质地的改革关于缓解此类历程至合厉重。

　　正如文件中所述， Vth 担心靖性也能够来自合断状况操作。高漏极偏压实践上会惹起 Vth 偏移，就像 Chen 等人浮现的正 Vth 偏移一律。（VD = 200 V 时高达 1 V）：这种漏极惹起的 Vth 偏移尚未获得通常筹议和敷裕领略，所以是另日筹议的怒放点。

　　就栅极电介质相近的逮捕而言，SiC 基 MOSFET 拥有上风，由于其原生氧化物正在室温下安靖，是家喻户晓的 SiO2，几十年来不断正在 Si 基电子器件中操纵。对 SiO2实行的通常筹议为 SiC MOSFET 的开展奠定了坚实的本原。即使如许，SiC- SiO2之间的界面质地低于 Si- SiO2之间的界面质地，所以导致更多缺陷、更多逮捕，所以正在操作历程中Vth 转转变大。

　　关于提交给 PBTI 的 4H-SiC MOSFET，正在文件中浮现多个正向偏移的旁观结果，与应力年光的对数呈线性和超线性。偏移的幅度远低于 GaN 的旁观值，但关于高电压和高温，偏移会变得相当大（1V-5V）。这种偏移每每归因于电子隧穿到近界面氧化物组织。其他陈诉表白，变动动态中存正在两个阶段，如图 9 所示，这可能归因于两个差另表逮捕历程的比赛。

　　2) 负移，归因于通过氧化物内的撞击电离发生空穴，如图 9 所示。此处旁观到的年光依赖性是指数的。

　　共源共栅和 e-mode GaN HEMT 面对的最厉重挑衅之一是其导通电阻 (RON) 正在合断状况或半导通状况偏置下的可光复扩大。

　　这关于功率晶体管极端厉重，由于正在合断状况操作时代，晶体管会受到极端高的漏极电压，这能够导致电子注入皮相状况 和/或缓冲组织。这些景象导致通道电导率合座低落，所以当器件正在差别漏极偏置水准下运转时，RON会扩大，因为电子逮捕（正在皮相和/或缓冲状况下）和其他机造（如漏极应力时代发生正电荷（即由电子从缓冲区转动到通道发生的空穴））的互相效力，能够会爆发导通电阻担心靖。正在半导通状况下，导通电阻的扩大会进一步加强，这代表了器件正在切换历程中超过的管事点。

　　控造导通电阻扩大的一种法子是操纵羼杂漏极 (HD：hybrid-drain)，此中 p-GaN 层嵌入漏极接触中，以正在合断状况和半导通状况操作时代注入空穴。这可能抵消电子逮捕，从而维系导通电阻。

　　Fabris 等人通过实行一组试验搜索了这种法子的有用性，这些试验夸大了合断状况和半导通状况操作中差别漏极静态偏置 (QBs：quiescent biases) 的导通电阻举动。

　　正在电源转换器的开合操作历程中，能够会爆发差另表击穿机造，并导致固态开合的灾难性阻碍。大凡来说，为了进一步的本领开展和抬高额定电压和操纵寿命，务必思考通盘击穿机造来优化GaN FET。

　　正在 e-mode GaN FET 的境况下，纵然栅极客栈中没有任何电介质，因为正偏压显示，仍存正在年光干系的退化和击穿。

　　正在 GaN-on-Si 器件中，漏极到基板的击穿每每存正在于电压远高于额定值的境况下，每每高于 1000 V 。然而，正在高压 GaN FET 创造中，务必思考并优化这品种型的击穿 。抬高器件对这种景象的鲁棒性的法子是局限衬底去除，或者以较低的本钱操纵蓝宝石衬底取代硅衬底，正如 Gupta 等人操纵 1200 V GaN 开合所呈现的那样。

　　结尾要说的是，HEMT 击穿的一个热点话题与雪崩相合。GaN HEMT 有关于 Si 和 SiC MOSFET 拥有低得多的撞击电离系数；所以，它们的雪崩举动差别。即使如许，它们也许担当远高于其额定值的电压，从而产活络态击穿电压举动（即击穿电压取决于合断状况脉冲不断年光）。这些器件还展现出精巧的浪涌才华。然而，需求筹议这些才华，以量化晶体管对开合瞬变时代能够爆发的电压过应力事情的稳妥性。

　　因为拓荒阶段相对较早，目前正正在筹议其他成分，比方短道和浪涌能量才华。GaN 晶体管（包罗 e-mode 和共源共栅类型）正在实行短道测试时能够会展现出差另表退化和/或阻碍机造。GaN HEMT 中的浪涌能量与过压安靖性亲热干系，而且器件不显示雪崩才华。关于 Si 和 SiC 晶体管，器件浪涌能量每每与雪崩能量相合。大凡而言，GaN HEMT 的策画拥有足够高的动态击穿电压以担当过压瞬变。

　　SiC MOSFET 的一个合节牢靠性方面是栅极氧化物的击穿。关于这品种型的阻碍有两种物领略释 。第一种是场驱动的，包罗正在表部场的效力下化学键的削弱。另一方面，第二种与通过隧穿的电荷滚动相合，因为 SiO2 和 SiC 之间的能带偏移减幼，这种隧穿有关于 Si MOSFET 来说有所缓解。实在而言，咱们浮现正在高场、低温下有 Fowler-Nordheim 隧穿，而正在低场、高温下有热辅帮隧穿。正在测试器件对栅极氧化物阻碍的稳妥性时，首要的 FOM 由阻碍年光 (TTF：time-to-failure) 透露，然后用于策动特定操作场景下栅极电介质的预期寿命。一种通常采用的法子是向栅极施加恒定的应力电压，监测电流直到爆发击穿。这种法子可能评估 TDDB 景象，所以测试年光能够极端长。因为寿命与温度和电压成比例，所以可能通过抬高测试温度和电压，然后正在器件的方针管事条目下推测数据来有用地缩短测试年光。

　　浮现与地道电流干系的阻碍机造的存正在与另一种评估法子——电荷击穿相兼容，后者依赖于对器件击穿前流过栅极客栈的总电荷的评估。正在这种境况下，对栅极施加恒定电流应力，然后将电荷击穿界说为电流到击穿年光的积分，或应力电流乘以击穿年光。

　　正在某些境况下，电荷击穿能够导致氧化物寿命测渡过高，但这个题目也存正在于基于 TDDB 的法子中，此中高场下的总共天生和逮捕能够导致过早失效，从而导致对低场下寿命的测渡过高。

　　别的，测试时代的电子逮捕可能减少氧化物上的场，进一步加剧上述高估。为避免太甚逮捕而导致高估，倡导将应力场维系正在特定阈值以下，遵照刘等人的说法，该阈值低于8.5mV/cm ，遵照Zheng等人的说法，该阈值低于 7 mV/cm。

　　氧化物牢靠性也可能通过栅极电介质的平和管事区来形容，该区域透露应力场温度空间，正在该空间中，器件本能维系正在数据表样板鸿沟内，思考到击穿前的氧化物劣化。

　　栅极氧化物阻碍是一个厉重的牢靠性题目。所以，急迫需求检测创造开发早期阻碍的法子。比方，Zheng等人倡导正在相对较高的电压下实行电压斜坡，而 Miki 等人倡导操纵反复的 Vth 丈量来废除瞬态担心靖性。

　　动作参考，正在汽车行业中，尺度氧化物寿命正在 108 秒鸿沟内。2020 年，t63%（63% 的开发爆发阻碍的年光）正在 150℃时被浮现大于 106 s 。2021 年，另一项筹议浮现，关于通盘测试的供应商，t63%正在 150 ◦C 时均 108 s，证实了 SiC MOSFET 本领的稳妥性。

　　也可能操纵极端高的漏极电压下的硬开合事情以及百般长度的导通脉冲来测试功率器件的安靖性。从这个角度来看，要测度的干系参数是短道耐受年光 τSC 和器件中存储的临界能量 EC。电压和电流波形的评估（见图 10）还可能拟定短道平和管事区 (SCSOA：Short-Circuit Safe-Operating-Area)。

　　SiC MOSFET 旨正在代替 Si IGBT，其 τSC 约为 10µs。自 2013 年从此，这一方针仍然告终 [55]，但并非编造性地告终。为了抬高本能，正在受压器件上扩大源电阻被证实是有益的，只须妥当调动以不影响导通状况和开合本能即可。因为过驱动电压低落，流过器件的电流淘汰，但初始电流峰值维系褂讪。这种电阻也可能集成正在器件自身内。

　　目前，SiC 和 GaN 器件都处于高级拓荒阶段。两者都找到了贸易操纵，并因其有关于硅同类器件正在效能、稳妥性和功率密度方面的革新而受到颂赞。另日，估计这两种质料将一直筹议，以办理悬而未决的题目，抬高牢靠性，并进一步加强其上风。

　　基于前几节中陈诉的思考，以为简单质料是功率器件的最佳拔取是不精确的，就像集成电道行业中的硅一律。底细上，GaN 和 SiC 拥有特另表各自性格，而且每个都可认为特定操纵带来革新。比方，SiC 应许创造极端结壮的器件，从而告终高功率开合转换器。

　　另一方面，GaN HEMT 具有速率和突出的效能，这关于抬高中低功率转换器的功率/体积比至合厉重。

　　另日，GaN 希望到达更高的电压，乃至领先 1200 V。要告终这一方针，就需求更始的半导体构造，比方笔直 GaN 晶体管和适宜的经济高效的衬底。目前，笔直 GaN 晶体管尚未到达适合通常贸易化的成熟度。然而，另日此类器件（包罗 finFET、MOSFET 和 JFET）的涌现希望告终比 SiC 器件更低的导通电阻值，同时告终雪崩和短道安靖性。关于 SiC 而言，具有也许告终精巧本能的轻易构造，同时受益于 Si 基电子器件中积攒的通盘 SiO2 常识，这是一个极端厉重的上风。这可能有用支配逮捕景象、Vth 安靖性和击穿本能。这将为 SiC 器件启迪新视野，用于正在已知情况（如汽车）和更具开辟性的情况中经管不停扩大的功率。第一个例子是火车牵引，因为效能的抬高，火车牵引可能由电池供电；另一个例子是电网级另表超高压操纵，用于维持智能电网范畴的更始电网统造本领。

　　正在最进步的另日操纵中，GaN、SiC 乃至 Si 开合正在统一转换器中的共存关于以最低本钱得到最大本能至合厉重。数学优化器材正在这种境况下极端有用，正如 Burkart 和 Kolar 等人引入的多方针优化法子所见。该法子操纵原委尽心调动的紧凑模子来优化开发的拔取，以敷裕诈骗电力电子可用的通盘差别半导体质料的上风。

　　正在最群集的操纵中，多个开发同时以串联或并联设备操纵，目标是支柱更高的电压或电流。正在这些境况下，开发级判辨务必通过编造级策画思考来竣事。这些要领每每包罗但不限于注重统造热方面或缓解各个开发之间的电流/电压不屈均。这种不屈均会惹起静态和动态本能转变，从而导致不屈均的传导和开合损耗以及不屈均的瞬态电流分散。所以能够会涌现更高的电流过冲，而且能够需求低落电流才华以维系正在 SOA 范围内，从而导致固态开合的操纵不优化。

　　咱们概述了目前市售的 GaN 和 SiC 功率晶体管的近况。起首斟酌了干系的质料性格，并证实了特定平台开发之间的构造分歧。

　　起首通过比拟数据表目标对两类开发实行比拟，并核心合怀 650V 开发，正在这个电压鸿沟内，GaN 和 SiC 晶体管共存，Si 开发获得了很好的开展。数据显示，正在思考 RON × QG FOM、输入电容和反向光复电荷时，可用的 GaN 开发拥有最佳本能。另一方面，SiC 器件正在相像目标上的本能稍差，但有关于 Si MOSFET 本领仍有很大革新。

　　还比拟了更高电压的开发。GaN 展现出更好的本能，但其开展如故受到本领和牢靠性题目标范围。正在这个电压/功率鸿沟内，思考到很多差别且拥有比赛力的产物的巨额墟市可用性，SiC 代表了一种有用的替换计划。然后判辨了基于 GaN 和 SiC 的功率器件确现时操纵范畴，以及今世功率转换器中采用的首要电道拓扑。还形容了另日的操纵。GaN 器件希望正在消费电子和数据中央的电源以及家用电器中获得通常宣传。GaN-SiC 共存将涌现正在光伏和汽车范畴，而 SiC 将主导高功率、高压智能电网和列车牵引操纵。

　　然后概述了现时的牢靠性和本能挑衅，特殊合怀 Vth 担心靖性及其干系的缓解计谋。还形容了与本领干系的方面。底细证实，SiC 器件正在运转历程中极端安靖，VTH 偏移低得多，而且不会受到动态导通电阻效应的影响。它们是恶毒条目下的完备拔取，由于它们正在寿命和 SC 才华方面极端逼近 IGBT 的本能。相反，GaN 供给了更好、更疾的开合，但关于 1000 V 鸿沟，牢靠性仍正在优化中。墟市上仍然有十足及格的 GaN 器件，拥有优异的本能和牢靠性。

　　遵照相合最进步 GaN 和 SiC 功率器件的现有文件，另日本能和牢靠性的革新途径了然可见；咱们估计 GaN 和 SiC 本领将正在另日几年共存，实在取决于每个寡少操纵的实在恳求以及干系的义务大概。与硅的比赛也将成为本能、牢靠性和本钱低落方面进一步优化的源泉。