纳微专家谈：氮化镓GaN HEMT有体二极管吗？

在学习电力电子器件时，我们都知道当Vgs=0时，MOSFET还是可以反向传导电流，因为它有一个体二极管。IGBT不能反向传导，因为其没有体二极管。工程师们也会关注体二极管的一些特性，比如反向恢复时间Trr、反向恢复电荷Qrr等等。一直以来都很好，直到GaN HEMTs的出现。

工程师：“GaN HEMT可以在Vgs=0时反向导通吗？”

“可以。”

工程师：“那体二极管的反向特性如何？”

“GaN HEMT没有体二极管。”

工程师于是感到非常困惑，GaN HEMT可以反向导通，那到底有还是没有体二极管？

这个时候就需要从GaN HEMT的结构说起，其导电通道为AlGaN和GaN异质结压电极化效应所形成横向二维电子气(2DEG)，并提供了极高的电荷密度和迁移率。对于增强型GaNHEMT(E-GaN)，正极栅偏置(Vgs>Vgsth)将电子吸引到耗尽区，并打开2DEG通道。这种特性与NMOS的工作原理相似，但是GaN HEMT具有快速的开关特性。

由上图GaN HEMT的结构可以看到，GaN并没有像MOSFET一样有从Source到Drain的反向PN结，但是由于其对称结构及双向导电通道，GaN HEMT是可以双向导通的。在Vgs=0, VdsVgdth时，2DEG通道被打开，GaN HEMT开始反向导通。这种效应被称为反向导通自换相，即当Vds

因此当GaN HEMT 反向导通时，反向电压Vsd必须要满足如下条件：

Vsd>Vgdth-Vgs （1）

由于栅极通常比较靠近源极，Vgdth会比Vgsth要稍微高一些，我们可以近似认为两者大致相等，那么GaN HEMT反向导通时的压降可以由下式得出：

Vsd-drop=Vgsth-Vgs+Id*Rds(on) （2）

由此可以看出GaN HEMT反向导通的压降还和Vgs电压有关系，如果GaN HEMT是负压关断的，那么其反向导通压降会更大。

GaNHEMT反向导通的优点：

首先，GaN HEMT是通过自换相来完成反向导通，没有类似MOSFET那样的体二极管。没有体二极管就意味着没有二极管的反向恢复，没有Qrr，这就使得GaN HEMT非常适合半桥硬开关。GaN的零反向恢复还可以实现新的高效拓扑结构，如连续型无桥式图腾柱PFC，这是传统硅器件所不能做到的。

其次，没有体二极管也意味着没有体二极管刚导通时的噪声。这样EMI设计变得相对容易，性能也会更好。

当然，没有体二极管也确实有个缺点，即相对于MOSFET体二极管反向导通，GaN HEMT有着较高的反向导通压降。如何降低高的反向压降带来的影响呢?

一方面，我们可以从减小反向导通压降着手。由上面式（2）我们可以知道反向导通压降还和GaN HEMT关断时的Vgs电压相关联。GaN HEMT的开关速度比较快，并且E-GaN的栅极开通门槛Vgsth比较低，通常实际应用中为了防止高dv/dt以及驱动回路的寄生参数造成的误开通，都会建议Vgs负压关断GaN HEMT。

由于Vgs的负压就会导致较高的反向导通压降。纳微半导体氮化镓是单晶圆集成驱动的Power IC，驱动回路几乎没有寄生参数影响，因此可以使用Vgs=0关断GaN HEMT，从而降低其反向导通压降。

另一方面，GaN-HEMT快速的开关特性可以让我们设置比硅MOSFET更短的死区时间。一般来说，缩短死区时间带来的效率远大于更高的反向电压降带来的效率损失。

也许没有反向恢复，高导通压降的“体二极管”解释能更容易帮助工程师理解GaN HEMT如何反向导通，但是清楚了解GaN HEMT的结构及其工作原理能更好的帮助工程师理解其特性并消除对GaN HEMT反向导通的困惑。