GaN器件的工作原理

AlGaN/GaNHEMT 器件工作原理（常开-耗尽型器件）

来源：毫米波GaN基功率器件及MMIC电路研究（西电博士论文）
注意：这里的栅极电压是负偏

  AlGaN/GaN 异质结在不加任何偏压时，沟道内依然存在高浓度的2DEG，常规 AlGaN/GaN HEMT 器件是耗尽型器件。当栅极电压V_gs 小于阈值电压V_th 时，沟道内电子夹断，没有电流流动；当栅极电压V_gs 大于阈值电压时，沟道内可移动的电子在漏电压的作用下会形成电流，这种通过改变外加偏置来调制沟道载流子浓度和载流子漂移状态的器件称为电压控制性器件。图2.4（a）给出了AlGaN/GaN HEMT 器件工作时的偏置情况，栅极加负压，漏级加正压，源极接地，通过改变偏置电压，来实现器件不同的工作状态。下面分析GaN HEMT 器件直流输出特性的各个区域的特点（图2.4（b））。
  器件源漏间x 处的输出电流Ids 可等效为，
    $$I_{ds}=q{n}_s(x)v(x)$$
  2DEG 密度近似为，
    $$q{n}_s=C(V_{gs}-V_{th}-V(x))$$
  其中C 表示器件栅下单位电容，V_th 为器件开启电压，位置x 处的电压为V(x)。
  （1）关断状态：即V_gs<V_th，器件处于关断状态，沟道内输出电流I_ds 约等于0。
  （2）线性状态：当栅源电压V_gs 大于阈值电压V_th（V_gs>V_th），并且V_ds 较小时，器件沟道电场强度较低，随着V_ds 的增加，源漏电流随漏电压近似线性升高，电子迁移率可以被认为是一个常数，则v = μE(x)，此时，器件输出电流为，
    $$I_{ds,lin}=\frac{\mu C}{l_{ds}}\left[(V_{gs}-V_{th})V_{ds}-\frac{V_{ds}^2}{2}\right]$$
  对V_gs 求导，得到此时的跨导值为，
    $$g_{m,lin}=\frac{\mu C}{l_{ds}}{V}_{ds}$$
  （3）饱和状态：当栅源电压V_gs 大于阈值电压V_th（V_gs>V_th），并且V_ds 较大时，沟道夹断点向源极方向移动，在沟道与漏区之间形成一段耗尽区，此时电子在耗尽区的漂移速度达到了饱和速度，不再随电场发生变化，输出电流也不再随电压变化。这一区域称为饱和区。利用载流子速度饱和，结合边界条件重新推导出器件的输出电流：
    $$I_{ds,sat}={\nu }_{sat}C\left[\sqrt{{\left(V_{gs}-V_{th}\right)}^2+{\left(l_c{E}_c\right)}^2}-l_c{E}_c\right]$$
  从上面公式可以看出，器件饱和输出电流只与栅电压有关系，漏电压作用不明显。
此时的跨导值可以表示为，与饱和漂移速率有关：
    $$g_{m,sat}={\nu }_{sat}C\frac{V_{\mathbf{gs}}-V_{th}}{\sqrt{{\left(V_{\mathbf{gs}}-V_{th}\right)}^2+{\left(l_c{E}_c\right)}^2}}$$
  （4）击穿状态：当Vds 继续增大到源漏击穿电压VBR 时，器件发生击穿，输出电流迅速上升，图2.4（b）未表示出击穿区。
  以上推导主要针对器件的本征参数进行，如果考虑器件寄生参数的影响，则栅电压和漏电压需要作出如下调整：其中，Vgs,ext 和Vds,ext 分别为施加到栅端和漏端的外部偏置。
$$\begin{array}{rl}{V}_{gs}& =V_{gs,ext}-I_{ds}{R}_s\\ & \\ V_{ds}& =V_{ds,ext}-I_{ds}(R_s+R_d)\end{array}$$

常关 AlGaN/GaN 功率晶体管（增强型器件）

来源：Gate Injection Transistor (GIT)—A Normally-Off AlGaN/GaN Power Transistor Using Conductivity Modulation (TED)
在 0 V 的栅极电压下，栅极下方的沟道被完全耗尽，漏极电流不流过。

在栅极电压达到 p-n 结的正向内建电压 VF 时，GIT 被用作场效应晶体管 (FET)。

栅极电压进一步增加超过 VF 会导致空穴从 p-AlGaN 注入沟道。
请注意，AlGaN/GaN 异质势垒有效抑制了沟道中的电子向栅极的注入。注入的空穴会积聚与从源极流出的等量电子，以保持沟道的电荷中性。积聚的电子在漏极偏压的作用下以高迁移率移动，而注入的空穴则留在栅极周围，因为空穴迁移率至少比电子迁移率低两个数量级。这种电导率调制导致漏极电流显著增加，同时保持较低的栅极电流。

p-AlGaN提高了沟道处的电势，这使得能够进行常关操作。

HD-GIT与SP-HEMT

来源：Stability, Reliability, and Robustness of GaN Power Devices: A Review (TED)

hybrid-drain gate injection transistor (HD-GIT) and the Schottky p-gate HEMT (SP-HEMT)
混合漏极-栅极注入晶体管（HD-GIT）和肖特基p栅极HEMT（SP-HEMT）
HD-GIT（图 2(a)）和 SPHEMT（图 2(b)）之间的主要区别在于栅极和漏极区域。HD-GIT 中的栅极金属与 p-GaN 形成欧姆接触，而在 SP-HEMT 中则形成肖特基接触。HD-GIT 中的 AlGaN 层通常是凹陷的，这使得 p-GaN 与 2DEG 的距离更近。HD-GIT 中的欧姆接触和 AlGaN 凹陷有利于空穴注入 2DEG 通道，从而实现电导率调制。此外，HD-GIT 还包括一个连接到漏极的 p-GaN 区域，这使得空穴可以注入通道和缓冲层，从而减轻电子陷阱。相比之下，SP-HEMT 中的电流传导仅依靠电子，只有极少的空穴会注入器件通道和缓冲层区域。