为什么我们不到处使用GaN晶体管？

围绕GaN晶体管进行了大量研究，证明它们具有非常低的导通电阻，低栅极电荷，并且在高温下非常有效。

那么，为什么我们仍然主要生产Si晶体管？即使GaN晶体管的生产成本更高，也一定要补偿它是否用于IC？

自2013年左右以来，我一直在广泛使用GaN，主要是为了在利基应用中轻松受益于GaN相对于Si的最大优势-耐辐射性。没有栅氧化层可以刺穿并且不会受到SEGR的影响，公开研究表明，经过1MRad寿命的部件退化最少。小巧的尺寸也令人惊叹-大约四分之一或二分之一（硬币）的尺寸，您可以轻松实现10A + DC / DC转换器。再加上能够使用铅焊条购买它们的能力，以及一些第三方将它们封装在密封包装中，它们将成为未来。

它更昂贵，并且工作起来更“琐碎”。没有栅极氧化物，只有金属-半导体结，因此栅极驱动电压受到严格限制（对于EPC建立的增强模式）-任何过高的电压都会损坏该器件。目前只有少数公开可用的登机口驱动程序－人们刚刚开始建造比National LM5113更多的驱动程序并为我们提供更多选择。您将看到的“规范”实现是BGA LM5113 + LGA GaN FET，因为即使其他封装中的键合线也会增加太多电感。提醒一下，这是铃声的来源：

EPC的eGaN器件采用2DEG，在我们的应用中可以归类为HEMT。这就是他们许多惊人的低RDS（on）来源的地方-通常以一位数毫欧为单位。它们具有极快的速度，这意味着您必须非常了解米勒效应引起的开启。此外，如上所述，在这些速度下，开关环路中的寄生电感变得更加重要-实际上，您必须考虑电介质厚度和元件放置，以使环路电感保持较低（<3nH正常，IIRC，但是如下所述，它可能/应该更低），如下所示：

对于EPC，它们也由传统的铸造厂制造，从而降低了成本。其他人包括GaN系统，Triquint，Cree等-其中一些专门用于RF用途，而EPC主要针对功率转换/相关应用（LIDAR等）。GaN本身也是耗尽型的，因此人们有不同的解决方案来增强它们，包括简单地在栅极上堆叠一个小的P沟道MOSFET来反转其行为。

另一个有趣的行为是“缺乏”反向恢复电荷，其代价是处于该状态时硅二极管的压降高于硅二极管的压降。这是一种营销手段–他们告诉您“由于在增强型GaN HEMT中没有少数载流子参与传导，因此没有反向恢复损耗”。他们的掩饰之处在于，与Si FET中的0.8V相比，V_ {SD}通常在2-3V +范围内上升-这是系统设计人员需要注意的。

我也将再次触碰栅极-您的驱动器基本上必须在内部保留一个〜5.2V的自举二极管，以防止零件上的栅极开裂。栅极走线上的任何多余电感都可能导致振铃，从而损坏该器件，而普通的Si MOSFET通常具有大约+/- 20V的Vgs。我不得不花一个小时用热风枪替换LGA零件，因为我搞砸了。

总体而言，我是我的应用程序部件的粉丝。我不认为使用Si可以降低成本，但是如果您正在做利基工作或想要获得最高的性能，则GaN是必经之路-Google Little Box Challenge的获胜者使用了基于GaN的转换器中的功率级。硅仍然很便宜，易于使用，并且人们特别是从可靠性POV上了解它。GaN供应商将竭尽全力证明其器件可靠性指标，但MOSFET在器件物理层面拥有数十年的经验教训和可靠性工程数据，以使人们确信该器件不会随着时间的流逝而枯竭。

如果用于IC的话，一定要补偿

好吧，不是因为以下几个原因：

• GaN晶体管在当今的IC制造工艺中不易制造
• 并非每个应用都需要最快的晶体管
• 并非每个应用都需要最低的导通电阻
• 并非每个应用程序都需要高温行为
• GaN晶体管不能做得和最小的MOS晶体管一样小

将其与已经使用多年的SiGe（硅锗）进行比较。它具有更快的（双极）晶体管。它到处使用吗？不，因为很少有IC使用双极晶体管。当今99％的IC使用CMOS晶体管，仅使SiGe制造工艺成为一种利基应用。

GaN也是如此，它仅对功率晶体管有用。IC通常不需要这种功率晶体管。

氮化镓集成电路

目前，由于光刻和加工工艺不如硅成熟，因此在典型的IC应用中GaN不能替代硅，而CMOS GaN仍在早期研究中。GaN已经可以实现多晶体管集成，但是主要应用是功率开关，因为这是可以实现大多数好处的地方。对于大量电路，成功的GaN实现是不可能的，或者仅利基应用。例如，GaN微控制器是当前技术无法实现的。

但是，在电源电路中，当前的GaN器件可以实现许多优点：

切换速度更快（给定芯片面积，R _DS（on）更低）

功率开关速度越高，管理寄生电感的责任就越大。你会看到上面1 nH的环电感电路不良行为，这是非常难以避免你的布局，多电感。对于许多硅电路，您可以避免谋杀。为了充分利用这些晶体管，您必须注意功率转换器布局的各个方面，远远超出硅设计通常所需的详细程度。

较小的包装

封装也更小，EPC出售本质上是焊料凸块的管芯，您可以直接将其回流到PCB上。例如，这个40V，16mΩ，10A的器件为1.7mm x 1.1mm，或者比0603电阻的尺寸大一点。必须为BGA型技术准备处理和加工过程，而不是使用较大的SMT零件或通孔。

良好的温度行为

如果您需要在其旁边有一个标准的硅部件来控制它，那么良好的温度操作是没有用的。

低栅极驱动电压

低栅极电压驱动器（对于EPC部件通常为5V）也与较低的最大栅极电压（对于上面链接的部件为-4V至+ 6V Vgs）匹配。这意味着您的栅极驱动器必须坚如磐石，以防止设备损坏自身，并且（再次）您的布局必须良好。情况已经好转，但仍然值得关注。

人们非常希望看到GaN可以替代硅部件的好处。以这种速度，需要增加工作量来确保稳定和安全的操作，并且需要利用更快的开关速度来进行工作，这意味着它不会简单地替换旧设计中的硅FET。正如FakeMoustache所提到的，您并不总是需要最高的性能（有时晶体管甚至不是薄弱环节）。

GaN在RF放大和功率转换（开关电源）中正变得有用。在后一种情况下，它需要比Si少得多的冷却，而在前一种情况下，它可以运行得更快。

但是对于RF放大用途，它不仅与Si竞争，而且与GaAs（例如MMIC）和SiGe竞争。对于功率转换，SiC也变得有趣起来。

但这不仅涉及成本和竞争技术。兼具导通电阻和开关速度的最佳GaN器件是HEMT。GaN HEMT是常通器件，¹需具有负栅极偏置才能将其关闭。这增加了系统的成本和复杂性，也意味着控制电路故障可能导致晶体管故障，如果您正在处理HVDC之类的问题，这将是“有趣的”。

GaN必须在异质衬底上生长，这使得生长更加困难（进一步增加了成本）。尽管进行了多年的研究，但这仍然影响外延层的材料质量，并影响性能/使用寿命。

因此，对于某些特定领域的应用来说，GaN可能是一种非常有用的技术，如果它比某些竞争对手的技术发展得更快，它将成为主流。

¹我曾与一些具有正阈值电压的Si衬底上的GaN HEMT一起工作，但我认为还没有将其推向市场。

那么，为什么我们仍然主要生产Si晶体管？即使GaN晶体管的生产成本更高，也一定要补偿它是否用于IC？

是什么使您相信“它一定会补偿”？绝对不是这样。

GaN的（德国）维基百科文章说，生产GaN基器件的主要问题过去是，现在仍然是生产大型单晶的困难。文章还显示例如单晶，其长度是刚刚3毫米（即使有可能产生较大的也不会是大很多）。

与此相反，可以生产直径接近半米（约500毫米）且长度是其倍数的Si单晶。

仅仅在可获得的单晶尺寸上的巨大差异就清楚地表明，掌握Si技术比GaN技术要先进得多。

而且还有比单晶尺寸更多的方面。

与制造商将驱动器和晶体管集成在单个封装中相比，先前答案中提到的布局问题变得不再那么重要了，从而避免了栅极环路和公共源极电感的问题。因此，在很大程度上，问题应该是：“到什么时候我们才在各处使用GaN？”