氮化鎵二極管壓降

2025-07-22 09:13

氮化鎵（GaN）二極管作為一種寬禁帶半導(dǎo)體器件，其正向壓降（導(dǎo)通電壓）是衡量性能的重要參數(shù)，與傳統(tǒng)硅（Si）二極管相比有顯著差異。以下從基本概念、典型數(shù)值、影響因素及應(yīng)用意義等方面詳細(xì)說明：

正向壓降（

\(V_F\)

）指二極管導(dǎo)通時(shí)，其陽極與陰極之間的電壓差，是器件導(dǎo)通時(shí)能量損耗的主要來源之一。對(duì)于氮化鎵二極管，由于其材料特性（禁帶寬度約 3.4 eV，遠(yuǎn)高于硅的 1.1 eV），其壓降特性與硅器件有明顯區(qū)別。

氮化鎵二極管的正向壓降通常在 1.0 V ~ 2.0 V 之間，具體數(shù)值取決于器件結(jié)構(gòu)、額定電流和工作溫度：

小電流器件（如幾安培）：壓降可能低至 1.0 V 左右；
大電流器件（幾十安培以上）：因?qū)娮瑁?span id="jqgwnfs" class="container-rkuXQi math-inline" data-custom-copy-text="$R_{DS(on)}$" style="outline:none;-webkit-font-smoothing:antialiased;box-sizing:border-box;-webkit-tap-highlight-color:rgba(0, 0, 0, 0);display:inline-flex;margin:0.5em 0px;max-width:100%;overflow:auto hidden;overflow-anchor:auto;">$R_{DS(on)}$）的影響，壓降可能升至 1.5 V ~ 2.0 V；
相比之下，傳統(tǒng)硅二極管（如整流管）的壓降通常為 0.7 V（硅 PN 結(jié)），但硅 carbide（SiC）二極管的壓降與 GaN 接近（約 1.2 V ~ 1.8 V）。

器件結(jié)構(gòu)氮化鎵二極管多采用 “肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）” 結(jié)構(gòu)，而非硅二極管的 PN 結(jié)。肖特基勢(shì)壘的高度直接影響壓降：勢(shì)壘越低，壓降越小，但反向漏電流可能增大，需在兩者間權(quán)衡。
工作電流隨著正向電流增大，導(dǎo)通電阻（ $R_{DS(on)}$ ）導(dǎo)致的電壓降（ $I \times R_{DS(on)}$ ）占比上升，總壓降增大。因此，數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常會(huì)標(biāo)注不同電流下的壓降（如 10 A 時(shí) 1.5 V，50 A 時(shí) 1.8 V）。
溫度與硅 PN 結(jié)二極管（壓降隨溫度升高而減小）不同，氮化鎵肖特基二極管的壓降具有正溫度系數(shù)：溫度升高時(shí)，壓降略有增大（約 0.1% ~ 0.3%/℃）。這一特性有利于多器件并聯(lián)時(shí)的電流均衡（避免某一器件因溫度過高而電流集中）。
外延層質(zhì)量氮化鎵外延層的摻雜濃度、缺陷密度等會(huì)影響導(dǎo)通電阻，進(jìn)而改變壓降。高質(zhì)量外延層可降低電阻，減小壓降。

器件類型	典型正向壓降（室溫，額定電流下）	溫度系數(shù)	應(yīng)用場(chǎng)景
硅 PN 結(jié)二極管	0.6 ~ 0.8 V	負(fù)溫度系數(shù)	低頻整流、低壓電路
硅肖特基二極管	0.3 ~ 0.5 V	正溫度系數(shù)	高頻低壓整流
氮化鎵二極管	1.0 ~ 2.0 V	正溫度系數(shù)	高頻電源、快充、逆變器
碳化硅二極管	1.2 ~ 1.8 V	正溫度系數(shù)	高壓大功率電路

盡管氮化鎵二極管的壓降高于硅二極管，但其優(yōu)勢(shì)在于：

高頻特性：開關(guān)速度快（納秒級(jí)），可工作在 MHz 頻段，大幅減小電路中的電感、電容等無源元件體積；
高溫穩(wěn)定性：耐受溫度可達(dá) 150℃以上，適合高溫環(huán)境（如汽車電子、工業(yè)電源）；
低反向恢復(fù)電荷：肖特基結(jié)構(gòu)無反向恢復(fù)電流，開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于硅 PN 結(jié)二極管，尤其適合高頻變換場(chǎng)景（如快充充電器、服務(wù)器電源）。

因此，在高頻、高效率的應(yīng)用中，氮化鎵二極管的綜合性能（損耗、體積、可靠性）遠(yuǎn)優(yōu)于硅器件，壓降略高的劣勢(shì)可被其他優(yōu)勢(shì)抵消。