Elementy elektroniczne dużej mocy

MOSFET-y i układy scalone GaN?

Odpowiedź jest interesująca i zaskakująca. Jeżeli weźmiemy kartę katalogową tranzystora e-GaN z Efficient Power Conversion Corporation (EPC), to zobaczymy tam dobrze znany graficzny symbol MOSFET-a N. Tak, ale zaskakuje informacja, że prąd upływu bramka-źródło w temperaturze +125°C maksymalnie może sięgnąć 5 mA, co zupełnie nie pasuje do MOSFET-a, czyli tranzystora z izolowaną bramką. Ze zdziwieniem odnotujemy też, że firma ta ma w ofercie przede wszystkim niskonapięciowe bardzo szybkie przełączające tranzystory z GaN – przykład na rysunku 29. Można to dokładniej sprawdzić na stronie: https://bit.ly/2XpqBv2.

Rysunek 29.

Jeżeli chodzi o pytanie o „prawdziwe MOSFET-y”, to gdy otworzymy kartę katalogową kanadyjskiej firmy GaNPower International Inc., zobaczymy dziwny symbol tranzystora podobnego do MOSFET-a, ale jakby niekompletny, pokazany na rysunku 30. A z zawartych w karcie parametrów wynika, że przy napięciu bramki UGS, typowy prąd upływu bramki wynosi około 0,3 mA, co też oczywiście nie pasuje do tranzystora MOSFET...

Rysunek 30.

W kartach katalogowych GaN Systems znajdziemy symbol tranzystora jak na rysunku 31 i wzmiankę, że przy maksymalnym napięciu UGS=6 V może popłynąć prąd bramki do 1 mA.

Rysunek 31.

Symbole normalnie zatkanych tranzystorów GaN są różne. Różnie oznaczane są też kaskodowe hybrydy GaN+Si. Dlatego mocno mylić mogą takie różne dziwne oznaczenia – symbole, a także nazwy – opisy: Enhancement Mode Power Transistor, E-mode GaN transistor, wskazujące na wzbogacanie i to, że w spoczynku tranzystor jest zatkany jak klasyczny MOSFET. Pewne podobieństwa z (lateralnym) MOSFET-em są, ale kluczowe szczegóły są inne, zdecydowanie bardziej skomplikowane. Z innych źródeł niż karty katalogowe można się dowiedzieć, że normalnie zatkane przełączniki GaN to nie jest kopia klasycznych MOSFET-ów zrealizowana z GaN. Aktualnie wszystkie normalnie zatkane tranzystory GaN to w istocie GaN Power HEMT, czyli specyficzne odmiany tranzystorów złączowych MESFET, czyli też JFET, a nie MOSFET. Garść szczegółów na przykład w pierwszej części tutoriala na stronie: https://bit.ly/3gpWTgM.

Jak na razie na rynku nie ma tranzystorów MOSFET GaN. Są one jedynie obiektem eksperymentów i badań laboratoryjnych. Najprościej biorąc, wszystkie dzisiejsze tranzystory GaN to lateralne, poziome MESFET-y (HEMT), a wersje normalnie otwarte (D – depletion) różnią się od normalnie zatkanych (E – enhancement) obecnością w obwodzie bramki dodatkowej warstwy półprzewodnika p-GaN, co jednak tylko na pozór jest drobną różnicą. Co interesujące, lateralna budowa pozwala budować na powierzchni półprzewodnika nie tylko pojedyncze tranzystory, ale też układy scalone. Ilustruje to rysunek 32.

Rysunek 32.

Można powiedzieć, że jak na razie historia zatoczyła koło i w przypadku najszybszych dziś przełączników-kluczy GaN wróciliśmy do pierwotnej koncepcji sprzed stu lat, przedstawionej przez Lilienfelda.