CN112491403B - 一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法 - Google Patents

一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，涉及氮化镓基第三代宽禁带半导体领域，首次提出在后端高频电路应用中来实现，解决目前在前端外延和器件设计中无法实现消除俘获效应的难题。该方法采用新型的拓扑电路控制方式，控制方式的核心是采用分频工作模式与平均输出控制技术。该控制方式充分利用GaN HEMT器件的高频工作优势，通过减小器件单次关断时间，使其小于器件中电子俘获所需的时间，实现消除器件的俘获效应。

Description

一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法
技术领域
本发明涉及氮化镓基第三代宽禁带半导体领域，具体涉及一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法。
背景技术
GaN(氮化镓)作为第三代半导体的典型代表，具有禁带宽度宽、电子漂移速度高、击穿场强高、化学性质稳定等优点，但是GaN HEMT器件内部由于异质结材料间的强极化以及晶格不匹配等原因，再加上外延技术的不成熟，导致器件内部体材料产生高达5x106/cm3的缺陷密度。当GaN HEMT器件工作于高漏极电压条件时，器件内部会产生高达3~5MV/cm的电场强度。强电场能够激活器件体材料、GaN/AlGaN异质结界面处以及AlGaN表面的缺陷，致使这些缺陷俘获沟道中2DEG的自由电子，使器件发生电流崩塌、动态电阻增加、阈值漂移等严重的可靠性问题，该过程和影响称为俘获效应。当GaN HEMT器件同时工作于高压和高频脉宽调制（PWM）状态，器件关断时，器件无电流经过，器件漏极电压很高，这段时间内会发生缺陷俘获，而器件开通时，有大电流经过，器件漏极电压很低，通常在5V以下，此时会发生缺陷解俘获，即高压被移除后，已俘获的自由电子会逃离并回到沟道中。经大量研究证实，俘获的时间常数是数纳秒，而解俘获的时间常数是数十甚至数百微秒，解俘获的时间非常慢，对高频工作非常不利。
目前GaN HEMT器件对于解决俘获效应的研究完全集中在前端外延和器件阶段，已提出非常多的应对方法，比如采用场板对器件内部电场分布进行优化、降低局部峰值电场，采用图形化衬底对外延生长质量进行改良，采用***层减小漏电流，等等。这些基于前端外延或器件的方法均只能在一定程度上改善俘获效应，并不能消除。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，采用新型的PWM控制方式是在传统的PWM控制方式的基础上，将关断的波行进一步进行高频斩波，器件单次关断时间短。即把传统PWM模式的导通时间缩短，并将关断时间进一步分频。当单次关断时间小于俘获效应对电子的俘获所需要的时间，则俘获效应就不会发生。控制方式的核心是采用分频工作模式与平均输出控制技术，充分利用GaN HEMT器件的高频工作优势，通过减小器件单次关断时间，使其小于器件中电子俘获所需的时间，实现消除器件的俘获效应。
一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，包括功率电路和反馈环节，所述功率电路和反馈环节之间连接有时序驱动控制环节和GaN HEMT器件，所述时序驱动控制环节包括开通控制装置和关断分频控制装置；
上述俘获效应消除方法，包括如下步骤，
步骤一：将GaN HEMT器件的一个工作周期划分成2个部分，第1部分是开通阶段，第2部分是关断分频阶段；
步骤二：设置开通时间Ton_c和关断分频阶段的占空比Do，将单次关断时间控制在0.1-5ns之间，通过调节关断分频阶段的PWM周期个数来实现输出；
步骤三：根据输入输出情况以及变压器匝比，计算整体占空比D，根据Ton= Ton_c+(T- Ton_c)* Do=Do*(T+ Ton_c)=DT，确定GaN HEMT器件所需的导通时间Ton和工作周期T。
优选的，所述开通控制装置和关断分频控制装置在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段。
优选的，所述步骤二中关断分频阶段的占空比Do能够从30%-100%中任意设定，且单次关断时间小于GaN HEMT器件中自由电子的俘获时间常数。
优选的，所述时序驱动控制环节还能够包括开通控制装置、关断分频控制装置和关断控制装置。
优选的，所述俘获效应消除方法，包括如下步骤，
步骤一：将GaN HEMT器件的一个工作周期划分成3个部分，第1部分是开通阶段，第2部分是关断分频阶段，第3部分是可选的关断阶段；
步骤二：设置开通时间Ton_c、关断时间Toff_c和关断分频阶段的占空比Do，将单次关断时间控制在0.1-5ns之间，通过调节关断分频阶段的PWM周期个数来实现输出；
步骤三：根据输入输出情况以及变压器匝比，计算整体占空比D，根据Ton= Ton_c+(T- Ton_c-Toff_c)* Do=Do*(T+ Ton_c-Toff_c)=DT，确定GaN HEMT器件所需的导通时间Ton和工作周期T。
优选的，所述开通控制装置、关断分频控制装置和关断控制装置在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段，关断分频阶段成后跟着就进入关断阶段。
优选的，所述步骤二中关断分频阶段的占空比Do能够从30%-100%中任意设定，且单次关断时间小于GaN HEMT器件中自由电子的俘获时间常数。
本发明的优点在于：采用新型的PWM控制方式是在传统的PWM控制方式的基础上，将关断的波行进一步进行高频斩波，器件单次关断时间短。即把传统PWM模式的导通时间缩短，并将关断时间进一步分频。当单次关断时间小于俘获效应对电子的俘获所需要的时间，则俘获效应就不会发生。控制方式的核心是采用分频工作模式与平均输出控制技术，充分利用GaN HEMT器件的高频工作优势，通过减小器件单次关断时间，使其小于器件中电子俘获所需的时间，实现消除器件的俘获效应。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明与传统PWM控制方式的比对示意图；
图3为本发明中工作周期划分成2个部分的模式的结构示意图；
图4为本发明工作周期划分成2个部分的模式的电压波形图；
图5为本发明中工作周期划分成3个部分的模式的结构示意图；
图6为本发明工作周期划分成3个部分的模式的电压波形图；
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图6所示，一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，包括功率电路和反馈环节，所述功率电路和反馈环节之间连接有时序驱动控制环节和GaNHEMT器件，所述时序驱动控制环节包括开通控制装置和关断分频控制装置；采用一个开通控制装置以实现器件在设定的固定时间内导通。采用一个关断分频控制装置以实现器件在数百MHz到数GHz高频范围内工作。
上述俘获效应消除方法，包括如下步骤，
步骤一：将GaN HEMT器件的一个工作周期划分成2个部分，第1部分是开通阶段，第2部分是关断分频阶段；
步骤二：设置开通时间Ton_c和关断分频阶段的占空比Do，将单次关断时间控制在0.1-5ns之间，通过调节关断分频阶段的PWM周期个数来实现输出；
步骤三：根据输入输出情况以及变压器匝比，计算整体占空比D，根据Ton= Ton_c+(T- Ton_c)* Do=Do*(T+ Ton_c)=DT，确定GaN HEMT器件所需的导通时间Ton和工作周期T。
如图2所示，传统PWM控制方式如图2（a）和图2（b）所示，其中，（a）是驱动电压波形，（b）是对应的漏极电压波形。传统的PWM控制方式，器件单次关断时间长；
本发明实施的PWM控制方式如图2（c）和图2（d）所示，其中，（c）是驱动电压波形，（d）是对应的漏极电压波形。器件单次关断时间短。
开通阶段的开通时间（Ton_c）是固定的，该时间的设置与电路拓扑结构以及输出功率、磁性元件电感量等参数有关。
所述开通控制装置和关断分频控制装置在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段。2个装置需要在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段。一个导通阶段和一个关断分频阶段，共同构成一个工作周期。
所述步骤二中关断分频阶段的占空比Do能够从30%-100%中任意设定，且单次关断时间小于GaN HEMT器件中自由电子的俘获时间常数。
所述时序驱动控制环节还能够包括开通控制装置、关断分频控制装置和关断控制装置。
所述俘获效应消除方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一：将GaN HEMT器件的一个工作周期划分成3个部分，第1部分是开通阶段，第2部分是关断分频阶段，第3部分是可选的关断阶段；
步骤二：设置开通时间Ton_c、关断时间Toff_c和关断分频阶段的占空比Do，将单次关断时间控制在0.1-5ns之间，通过调节关断分频阶段的PWM周期个数来实现输出；
步骤三：根据输入输出情况以及变压器匝比，计算整体占空比D，根据Ton= Ton_c+(T- Ton_c-Toff_c)* Do=Do*(T+ Ton_c-Toff_c)=DT，确定GaN HEMT器件所需的导通时间Ton和工作周期T。
所述开通控制装置、关断分频控制装置和关断控制装置在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段，关断分频阶段成后跟着就进入关断阶段。3个装置需要在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段，然后紧接着进入可选的关断阶段。一个导通阶段和一个关断分频阶段，可能还有一个关断阶段，共同构成一个工作周期。关断阶段的时间根据电路需要可固定亦可变，可用以灵活调整磁性元件的工作状态是连续模式或者是断续模式。
所述步骤二中关断分频阶段的占空比Do能够从30%-100%中任意设定，且单次关断时间小于GaN HEMT器件中自由电子的俘获时间常数。
输出通过调节关断分频阶段的PWM周期个数以及可选的关断阶段时间来实现，整个周期内总的导通时间和关断时间是变化的，频率也是变化的。
具体实施方式及原理：
实施例一：如图3所示，GaN HEMT器件的控制分成2部分。1部分控制器件的开通阶段，采用一个开通控制装置以实现器件在设定的固定时间内导通；另1部分控制器件的关断分频阶段，采用一个关断分频控制装置以实现器件在数百MHz到数GHz高频范围内工作。这两个装置需要在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段。一个导通阶段和一个关断分频阶段构成一个工作周期；
开通阶段的开通时间（Ton_c）是固定的，该时间的设置与电路拓扑结构以及输出功率、磁性元件电感量等参数有关。关断分频阶段的占空比是固定的，固定占空比从30%-100%可任意设定，并将单次关断时间根据器件结构不同控制在0.1-5ns之间，该时间应小于器件中自由电子的俘获时间常数，输出通过调节关断分频阶段的PWM周期个数来实现，整个周期内总的导通时间和关断时间是变化的，频率也是变化的；
如附图4（a）和（b）所示，根据输入输出情况以及变压器匝比，计算整体占空比D，并设计器件所需的导通时间Ton和工作周期T。假设在某一输入输出情况下的工作周期是T，整体占空比是D，分频阶段占空比设定为Do为0.5，导通阶段时间为Ton_c，则有导通时间Ton=Ton_c+(T- Ton_c)*0.5=0.5*(T+ Ton_c)=DT。
实施例二：如附图5所示，GaN HEMT器件的控制分成3部分。第1部分控制器件的开通阶段，采用一个开通控制装置以实现器件在设定的固定时间内导通；第2部分控制器件的关断分频阶段，采用一个关断分频控制装置以实现器件在数百MHz到数GHz高频范围内工作；第3部分控制器件的关断阶段，采用一个关断控制装置以实现器件的关断。这三个装置需要在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段，然后紧接着进入关断阶段。一个导通阶段、一个关断分频阶段和一个关断阶段构成一个工作周期；
开通阶段的开通时间（Ton_c）是固定的，该时间的设置与电路拓扑结构以及输出功率、磁性元件电感量等参数有关。关断分频阶段的占空比是固定的，固定占空比从30%-100%可任意设定，并将单次关断时间根据器件结构不同控制在0.1-5ns之间，该时间应小于器件中自由电子的俘获时间常数。关断阶段的时间根据电路需要可固定亦可变，可用以灵活调整磁性元件的工作状态是连续模式或者是断续模式，输出通过调节关断分频阶段的PWM周期个数以及关断阶段的时间来实现，整个周期内总的导通时间和关断时间是变化的，频率也是变化的；
如附图6（a）和（b）所示，根据输入输出情况以及变压器匝比，计算整体占空比D，并设计器件所需的导通时间Ton和工作周期T。假设在某一输入输出情况下的工作周期是T，整体占空比是D，分频阶段占空比设定为Do为0.5，导通阶段时间为Ton_c，关断阶段时间为Toff_c，则有导通时间Ton= Ton_c+(T- Ton_c-Toff_c)*0.5=0.5*(T+ Ton_c-Toff_c)=DT。
基于上述，本发明采用新型的PWM控制方式是在传统的PWM控制方式的基础上，将关断的波行进一步进行高频斩波，器件单次关断时间短。即把传统PWM模式的导通时间缩短，并将关断时间进一步分频。当单次关断时间小于俘获效应对电子的俘获所需要的时间，则俘获效应就不会发生。控制方式的核心是采用分频工作模式与平均输出控制技术，充分利用GaN HEMT器件的高频工作优势，通过减小器件单次关断时间，使其小于器件中电子俘获所需的时间，实现消除器件的俘获效应。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，包括功率电路和反馈环节，其特征在于，所述功率电路和反馈环节之间连接有时序驱动控制环节和GaN HEMT器件，所述时序驱动控制环节包括开通控制装置和关断分频控制装置；
上述俘获效应消除方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一：将GaN HEMT器件的一个工作周期划分成2个部分，第1部分是开通阶段，第2部分是关断分频阶段；
步骤二：设置开通时间Ton_c和关断分频阶段的占空比Do，将单次关断时间控制在0.1-5ns之间，通过调节关断分频阶段的PWM周期个数来实现输出；
步骤三：根据输入输出情况以及变压器匝比，计算整体占空比D，并设计器件所需的导通时间Ton和工作周期T，分频阶段占空比设定为Do为0.5，导通阶段时间为Ton_c，则有导通时间Ton= Ton_c+(T- Ton_c)*0.5=0.5*(T+ Ton_c)=DT，确定GaN HEMT器件所需的导通时间Ton和工作周期T。
2.根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，其特征在于：所述开通控制装置和关断分频控制装置在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段。
3. 根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，其特征在于：所述步骤二中关断分频阶段的占空比Do能够从30%-100%中任意设定，且单次关断时间小于GaN HEMT器件中自由电子的俘获时间常数。
4. 根据权利要求1所述的一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，其特征在于：所述时序驱动控制环节还能够包括开通控制装置、关断分频控制装置和关断控制装置。
5. 根据权利要求4所述的一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，其特征在于：所述俘获效应消除方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一：将GaN HEMT器件的一个工作周期划分成3个部分，第1部分是开通阶段，第2部分是关断分频阶段，第3部分是可选的关断阶段；
步骤二：设置开通时间Ton_c、关断时间Toff_c和关断分频阶段的占空比Do，将单次关断时间控制在0.1-5ns之间，通过调节关断分频阶段的PWM周期个数来实现输出；
步骤三：根据输入输出情况以及变压器匝比，计算整体占空比D，并设计器件所需的导通时间Ton和工作周期T，分频阶段占空比设定为Do为0.5，导通阶段时间为Ton_c，关断阶段时间为Toff_c，则有导通时间Ton= Ton_c+(T- Ton_c-Toff_c)*0.5=0.5*(T+ Ton_c-Toff_c)=DT，确定GaN HEMT器件所需的导通时间Ton和工作周期T。
6. 根据权利要求5所述的一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，其特征在于：所述开通控制装置、关断分频控制装置和关断控制装置在时序上进行同步处理，导通阶段完成后跟着就进入关断分频阶段，关断分频阶段成后跟着就进入关断阶段。
7. 根据权利要求5所述的一种GaN HEMT器件应用于高频电路中的俘获效应消除方法，其特征在于：所述步骤二中关断分频阶段的占空比Do能够从30%-100%中任意设定，且单次关断时间小于GaN HEMT器件中自由电子的俘获时间常数。
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