氮化鎵二級管工作原理

　　氮化鎵(GaN)二極管是基于寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵的高頻、高功率器件，其工作原理依托材料特性與異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，核心是利用二維電子氣(2DEG)實(shí)現(xiàn)高效導(dǎo)電與快速開關(guān)，以下從結(jié)構(gòu)、核心機(jī)制及工作特性展開說明：

　　一、核心結(jié)構(gòu)：異質(zhì)結(jié)與二維電子氣(2DEG)

　　GaN 二極管的典型結(jié)構(gòu)為AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)，由多層材料堆疊而成：

　　底層為襯底(常用 SiC 或藍(lán)寶石，提供機(jī)械支撐與散熱);

　　中間為 GaN 緩沖層(降低晶格失配應(yīng)力);

　　頂層為 AlGaN 勢壘層(Al 組分通常 15%-30%)，表面覆蓋金屬電極(如 Ti/Al/Ni/Au 肖特基接觸)。

　　關(guān)鍵特性：AlGaN 與 GaN 的晶格常數(shù)差異(約 1.4%)及自發(fā)極化 / 壓電極化效應(yīng)，會(huì)在兩者界面處形成強(qiáng)內(nèi)建電場，將自由電子 “束縛” 在 GaN 一側(cè)的界面處，形成一層高密度(1013-101? cm?2)、高遷移率(約 2000 cm2/V?s)的二維電子氣(2DEG)。這層 2DEG 是 GaN 二極管導(dǎo)電的 “通道”，其高濃度與高遷移率直接決定了器件的低導(dǎo)通電阻特性。

　　二、工作原理：基于肖特基勢壘的單向?qū)щ?/strong>

　　GaN 二極管多為肖特基勢壘二極管(SBD)，利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢壘實(shí)現(xiàn)單向?qū)щ姡诵倪^程如下：

　　正向?qū)?正向偏壓)：

　　當(dāng)金屬電極接正電壓、襯底接負(fù)電壓時(shí)，外加電場會(huì)削弱 AlGaN/GaN 界面的內(nèi)建電場，肖特基勢壘高度降低。此時(shí)，2DEG 中的電子可克服勢壘，從 GaN 層通過 AlGaN 勢壘層流向金屬電極，形成正向電流。由于 2DEG 濃度極高，導(dǎo)通電阻極低(通常 < 10 mΩ?cm2)，且電子遷移率高，電流密度可達(dá)傳統(tǒng)硅二極管的 5-10 倍。

　　反向截止(反向偏壓)：

　　當(dāng)金屬電極接負(fù)電壓時(shí)，外加電場與內(nèi)建電場疊加，肖特基勢壘升高，2DEG 中的電子被 “阻擋”，無法形成反向電流。同時(shí)，GaN 材料的寬禁帶特性(3.4 eV，是硅的 3 倍) 使其擊穿電場強(qiáng)度高達(dá) 3.3 MV/cm(硅僅 0.33 MV/cm)，因此能承受極高的反向電壓(數(shù)百至數(shù)千伏)而不擊穿，遠(yuǎn)超硅二極管的耐壓能力。

　　三、核心優(yōu)勢：無反向恢復(fù)與高頻特性

　　與傳統(tǒng)硅二極管相比，GaN 二極管的工作原理帶來兩個(gè)關(guān)鍵特性：

　　零反向恢復(fù)時(shí)間：硅二極管反向截止時(shí)，PN 結(jié)中存儲(chǔ)的少數(shù)載流子(空穴)需耗時(shí) “復(fù)合”，導(dǎo)致反向恢復(fù)電流;而 GaN 二極管是單極型器件(僅電子導(dǎo)電)，無少數(shù)載流子存儲(chǔ)，反向截止時(shí)電流可瞬間歸零，開關(guān)速度達(dá)納秒級(10-100 ns)，適合高頻場景。

　　高溫穩(wěn)定性：寬禁帶使 GaN 在高溫下(>200℃)仍能保持載流子濃度穩(wěn)定，配合 SiC 襯底的高導(dǎo)熱性(約 490 W/m?K)，可在高功率密度下穩(wěn)定工作，無需復(fù)雜散熱設(shè)計(jì)。

　　四、應(yīng)用場景：依托原理的核心價(jià)值

　　GaN 二極管的低導(dǎo)通損耗、高頻開關(guān)特性，使其廣泛應(yīng)用于：

　　新能源汽車充電樁(高頻化減小變壓器體積);

　　5G 基站電源(高功率密度適配小型化需求);

　　光伏逆變器(提升轉(zhuǎn)換效率至 99% 以上)。

　　簡言之，GaN 二極管的工作原理是通過 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)建高濃度 2DEG 通道，利用寬禁帶特性實(shí)現(xiàn)高耐壓與高溫穩(wěn)定性，同時(shí)憑借單極型導(dǎo)電消除反向恢復(fù)損耗，最終達(dá)成 “高頻、高效、高功率” 的核心優(yōu)勢。