常导通SiC JFET的特性和应用

日期:2019-04-07
 
作者:Anup Bhalla,工程副总裁,UnitedSiC
与当代半导体技术相比,常导通(Normally-ON)JFET似乎与真空三极管有更多共同之处。本文介绍了它们在碳化硅技术中的实现,这些器件的特性及其应用。
 
“今天我发现,使用半导体而不是真空管的放大器原理上是可行的。”
William B Shockley,实验室笔记(1939年12月29日)。
 
许多人认为Shockley(肖克利)发明了“晶体管”,并在1951年7月4日的新闻发布会上宣布了这些。他的双极结晶体管(BJT)无疑是一项重大成就,其基本设计至今仍然在发挥作用。然而,对于晶体管,肖克利早在1939年就已经有过使用电场而不是电流来控制传导的想法,但在发现Julius Edgar Lilienfeld在近15年前的1925年已经申请了场效应晶体管(FET)专利之后就放弃了该研究方向。他的同事们试图绕过这项专利,但肖克利与他们分道扬镳并开创了自己的新路,转而研究BJT。Lilienfeld的FET专利纯粹属于替换真空管的理论研究,因为当时没有技术可以制造出这样的器件。
因此,FET或结型场效应晶体管(JFET)虽然具有最简单的形式,但却具有悠久的历史。尽管曾经有人认为它们过时了,但这种技术在当代的化身碳化硅(SiC)技术,无论是具有共同封装MOSFET的Cascode(共源共栅),还是作为独立器件,在开关电路中都具有非常前沿的的性能优势,在音频放大器和电子负载等领域的电路保护和线性电源电路中具有非常重要的应用。
 
JFET基础知识
让我们稍微回顾一下,看看JFET工作的基本原理。
图1:JFET的基本工作原理。
 
如图1中所见,JFET在两个栅极连接和漏极 - 源极沟道之间形成有两个P-N结。在没有栅极电压时,可以通过漏极和源极之间的轻微掺杂N型漂移层实现导通,实际上可以在任一方向上实现,这主要根据漏极电压的极性。 JFET是“单极”器件,这意味着由于多数载流子而产生电流流动,即更常见的N(耗尽模式)型。 P-N结自然形成一个分离的“耗尽”层,其中没有载流子,因此是绝缘的。在没有栅极电压的情况下,耗尽层相对较小,且不会阻塞图1A中的沟道。如果向栅极施加一个相对于源极的负偏压-VGS,则耗尽层逐渐变宽,直到发生约-6V的“夹断电压(pinch-off)”,并且沟道停止导通(见图1B)。在VGS = 0的情况下,施加一个漏极 - 源极电压VDS确实能够导致耗尽层朝向漏极变厚,如图1C所示,这是因为VDS沿着沟道的长度方向增大了反向偏压VGS,并且在靠近漏极端的位置总值更高。高漏极电流在沟道上产生高压降,这种效应可以产生自然的“夹断”,有效地限制了电流。可以对栅极施加小的正偏压以抵消这种效应,并在导通状态下进一步减少耗尽层以实现最低RDS(on)。但在VGS> 2.5V时,正的VGS确实可将正向偏压施加到栅极沟道P-N结,因此在这种情况下栅极电流可以流动,并且需要一个串联限流电阻。常导通型JFET通常工作在VGS = 0以实现导通。
在典型应用中,栅极电压为零或反向偏压,因此栅极电流约为纳安培级(nA)。由于器件电容通常较低,栅极电荷较少,当采用宽带隙SiC技术实现JFET时,可以获得极高工作温度、超低RDS(on)和高频率/低开关损耗等优势。图2所示为UnitedSiC的SiC JFET垂直沟槽结构与典型的砷化镓(GaN)HEMT单元以及与Si-MOSFET的比较。注意JFET中没有任何脆弱的栅极氧化物。
 
图2:JFET、GaN HEMT单元和Si-MOSFET典型结构的比较。
 
SiC JFET Cascode(共源共栅)
虽然无需栅极电压,且需要负电压进行关断的常导通型器件在开关模式电源等一些应用中是不方便的,但在某些方面它具有非常正面的优势。例如,当SiC JFET与低压Si-MOSFET组合使用时,如图3所示,它成为Cascode(共源共栅)。在这种配置中,使用正栅极电压,MOSFET导通,将JFET源极电压拉至0V,栅极0V将其设置为导通。当MOSFET栅极为0 V时,其漏极电压升高,反向偏压施加到JFET栅极-源极,并将其关断。MOSFET漏极仅上升至10 V左右,因此可以是具有极低RDS(on)的低电压型,与JFET相比无关紧要。我们现在实现了一个常关断(normally-OFF)型器件,具有简单的栅极驱动,高电压和高工作温度,并且有效地消除了能够减慢MOSFET的“米勒”电容。 SiC JFET由于具有“夹断”效应而具有天然的电流限制作用,并且具有高雪崩能量。对于更高电压的应用,通过串联更多JFET实现的“超级Cascode”可提供高达几kV的电压额定值。
图3:带有Si-MOSFET的JFET Cascode。
 
限流器和隔离器
JFET另一个主要应用领域是电路保护,其中的连接需要隔离或限流,这种情况下,常导通器件实际上可能是优先选项,只有在检测到故障时才需要主动栅极驱动。SiC JFETS则是一个很好的选择,它们非常低的导通电阻在正常工作时只有很小的功率损耗,可以选择这些器件并使其自然饱和电流成为电路限制电流,这样就不再需要单独的有功率损耗或比较昂贵的电流感测元件,如电阻器或霍尔效应器件。与Si-MOSFET不同,SiC JFETS的饱和电流与漏极电压一样非常稳定,例如,在电流限制范围内更容易地实现较好的封装散热功能。由于SiC JFET具备较低的电子迁移率,其饱和电流具有负的温度系数,这也有助于降低功耗。当然,在过载和可能未知的电压应力条件下,SiC自然具备的坚固性也是一个优势。例如,SiC器件的峰值结温能够达到625℃而不会出现故障,其出色的雪崩能力可以使系统避免受到过压影响。
很难想象能有比两个串联SiC JFET更简单的双端双向限流器方案,如图4所示,不需要外部电源,即可将电路电流限设置在JFET饱和电流。
 
图4:一个简单的双向限流器。
 
当需要在故障条件下隔离电路时,机械断路器可能太慢而且笨重,而通常采用IGBT或MOSFET的电子断路器则比较复杂,需要辅助电源轨。如果采用SiC技术制造,JFET可以通过少量的额外电路即可配置为真正的自供电双端隔离器,在电路内部具备所有感应功能和所期望的牢固性。
 
SiC工作在放大区
在SiC JFET用于电子负载或“线性”应用(如音频放大器)等受控电流限制器时,其优势也非常明显:与其他技术相比,SiC器件的跨导(transconductance)具有负温度系数[1],因此当温度升高时,在给定的栅极 - 源极电压下,漏极电流更小,这种效应可以防止使用MOSFET的线性应用中常出现的问题,其中栅极电压对于温度的正温度系数会导致电流“拥挤(crowding)”,发热点会导致热失控和器件故障。即使器件看起来是在其前向安全操作区域(FSOA)内工作时,这种情况也会发生。图5显示了UnitedSiC SiC SiC JFET的漏极电流温度效应相对于栅极电压与一个常见SiC MOSFET的比较。
 
图5:SiC JFET与SiC MOSFET相反的跨导温度系数。
 
Julius Edgar Lilienfeld今天可能很大程度上已经被遗忘,但他发明的技术至今仍在继续发挥作用,SiC JFET现在能够实现最先进的开关性能和接近理想的电流限制和保护。有趣的是Julius Edgar Lilienfeld还申请了电解电容器专利,但那就是另一个故事了。
 
参考资料
[1] http://www.unitedsic.com/wp-content/uploads/2018/04/AN0016_active_mode.pdf
 
unitedsic.com
 

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