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Was ist GaN HEMT?

HEMT steht für High Electron Mobility Transistor.
Ein HEMT ist ein Transistortyp, der Halbleitermaterialien mit hoher Elektronenbeweglichkeit verwendet, was Hochgeschwindigkeitsschaltungen (Hochfrequenzbetrieb) ermöglicht.

GaN-HEMT-Struktur

Si-MOSFETs verwenden eine vertikale Struktur, während GaN-HEMTs eine laterale Struktur aufweisen.
GaN wird epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet, worauf sich eine AlGaN-Schicht (Aluminium-Gallium-Nitrid) bildet.

Das Wachstum eines dünnen AlGaN-Films auf GaN führt zu einem piezoelektrischen Effekt, bei dem sich Elektronen an der Grenzfläche sammeln. Dadurch bildet sich eine hochbewegliche zweidimensionale Elektronengasschicht (2DEG), die als Pfad für den Stromfluss dient.

GaN-HEMT-Struktur

Si-Substrate werden aufgrund ihrer größeren Wafergrößen bevorzugt, die im Vergleich zu anderen Materialien leichter in Massenproduktion hergestellt werden können.
Gleichzeitig kann der große Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von GaN und Si beim Abkühlen nach dem Kristallwachstum erhebliche Spannungen verursachen, die zu Rissen im Substrat führen können.
Eine Pufferschicht dient dazu, diese Belastung zu minimieren.

Schaltverlust

GaN-HEMTs reduzieren die Schaltverluste im Vergleich zu Silizium-MOSFETs drastisch.
Dies führt zu einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad in Stromversorgungssystemen.

GaN-HEMTs verringern den Schaltverlust gegenüber Si-MOSFETs erheblich

Switching Loss

Vergleich der Merkmale

In der folgenden Tabelle werden die wichtigsten Merkmale von Leistungsbauelementen der 650V-Klasse verglichen: Si SJ (Super Junction) MOSFETs, SiC MOSFETs und GaN HEMTs.
GaN-HEMTs bieten hervorragende Schalteigenschaften im Bereich Mittelspannung und mittlerer Leistung.

Si SJ MOSFET SiC MOSFET GaN HEMT
Durchschlagsspannung 650V 650V 650V
Kompatibilität mit hohen Strömen
Hochgeschwindigkeits-Schalten
Ron・Qg*1 1*2 0.63 0.1
Schaltgeschwindigkeit 1*2 2 10
Qrr*3 0.73μC 0.25μC 0nC

*1:Ein Indikator für die Schaltleistung. Je niedriger dieser Wert, desto besser die Schaltleistung.

*2:Mit Silizium-SJ-MOSFET Ron・Qg und einer Schaltgeschwindigkeit von 1.

*3:GaN-HEMTs verwenden eine Struktur, die den parasitären PN-Übergang zwischen Drain und Source eliminiert und so die Ansammlung von Ladung während der Rückwärtsleitung verhindert.

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