功率氮化鎵(GaN)裝置是功率設計師可用的新工具，可進一步分析GaN高切換頻率如何提升效能及功率密度，射頻GaN技術已通過功率放大器量產驗證，因為多項長處均優於矽(Si)，已應用於蜂巢式基地台及多種軍事/太空系統。
美國電子工程設計發展聯合協會(JEDEC)的矽規範標準很適合預測產品壽命，但目前在GaN方面卻無相應標準，為降低使用新技術的風險，必須審慎檢視新技術應用的個別用途及環境限制，並製作可承受壓力的原型，再監控任何變化。由於GaN裝置電壓可達1,000伏特(V)，dv/dts會超過200V/ns，即時監控大量原型將產生多項工程挑戰。
從安全運作區域曲線圖裡，可判斷功率場效應電晶體(FET)是否符合用途所需，圖1為範例。
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| 圖1 導通阻抗100毫歐姆時的GaN FET安全運作區域曲線範例 |
在硬切換與多兆赫共振設計中，都會使用功率GaN FET，超過數千瓦後，就會出現零電壓或零電流拓撲，在圖1的安全運作區域曲線圖中，右上角電壓與電流最高區域的壓力最大。功率GaN FET在此硬切換區域裡運作時，多種機制都會增加壓力，熱壓力即為一例，裝置內若有電感切換測試線路，從關到開的過程中，就可能從零電流幾乎瞬間增至10安培(A)，並消耗數百伏特電壓。
觀察安全運作區域曲線
相較於矽FET，GaN FET一大優點在於切換時間極短，降低電容與排放Qrr後，也能大幅減少切換損耗。裝置切換時，整體電壓乘以電流即為裝置必須耗散的功率，降低損耗可降低裝置溫度及擴大安全運作區域。
安全運作區域曲線也受到導通阻抗限制，電流乘以導通時的阻抗即為電壓，以圖1的安全運作區域曲線為例，導通阻抗為100毫歐姆(mΩ)，矽MOSFET的導通阻抗與溫度成正比，裝置溫度從攝氏25度增至100度時，導通阻抗就會加倍。
監測動態導通阻抗
GaN FET的導通阻抗相當複雜，與溫度、電壓、時間相關，GaN FET導通阻抗若隨電壓與時間而變，稱為動態導通阻抗，為了預測GaN裝置在特定用途中的行為，必須監控動態導通阻抗效應，無論是監控安全運作區域曲線因溫度而產生的壓力，或是監控導通阻抗，都建議使用電感硬切換壓力線路，因為在裝置潛在衰退中，許多項目皆與高頻切換及電場相關。
圖2的簡易切換線路中，說明在安全運作區域右上象限中如何計算電流，以及向裝置施加壓力。
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| 圖2 電感硬切換壓力線路 |
GaN屬寬能隙物質，矽能隙為1.12 eV，GaN為3.4 eV，因為能隙較寬，在崩潰現象發生前，GaN裝置可支援的電場遠高於同尺寸矽裝置。裝置設計師常會運用幾種一般測試，協助判斷裝置穩定性，包括高溫反偏、高溫閘偏、時間定電壓崩潰等，這些靜態測試雖有助於初步判斷裝置設計，卻不足以代表以高頻切換動態效應為主的使用情境。高溫運作壽命屬動態測試，裝置會在過程中切換，確切運作條件是由製造者決定，但通常維持名目頻率、電壓與電流。
在射頻放大器初步試用GaN後，會出現效能衰退效應，裝置可傳送的最大電流將遠低於汲極電壓偏移，此種電壓依賴效應稱為電流崩塌，電流崩塌及動態導通阻抗增加的起因為負電荷困在緩衝層及頂層之中，若使用高電壓，電荷就可能受困，裝置啟動時，也可能無法即時耗散。多種裝置設計技巧(場電板)也能在最敏感的GaN FET區域內降低電場強度，在射頻GaN FET與切換功率GaN FET中，均使用場電板降低效應。
GaN是一種壓電物質，GaN裝置設計藉由增加晶格稍不匹配的AlGaN緩衝層，運用此種壓電效果，也為裝置增加壓力，自發及壓電效應會導致極化場，產生二維(2D)空間電子氣通道，具備此通道的裝置稱為高電子移動性電晶體。不過，在裝置運作中，高應用電場也可能導致不必要的壓電壓力，造成另一種形式的裝置潛在衰退。GaN等新科技必須具備完整方法，才能確保穩定可靠。
為節省成本，功率GaN FET如今使用6吋矽基材，但因為矽與GaN並非晶格匹配，可能出現差排缺陷，造成晶格瑕疵。這些缺陷充電與放電時間短則100奈秒(ns)、長則數分鐘，在最靠近閘極區充放電的缺陷會調變裝置跨導，這些因素都影響GaN FET導通阻抗複雜的電壓與時間依賴。在檢查過程中，工程師會以直流電(DC)對裝置施加壓力一段時間，並定時移除壓力，記錄在半導體測試器內的特質，只要移除裝置電壓偏移，即使只有幾秒，缺陷也能放電，因此能呈現實際運作時的真正動態導通阻抗數值。
GaN FET優點多 惟須留意衰退
相對於矽FET，功率GaN FET具備多項優點，例如切換損耗較低、切換頻率較高等，高切換頻率亦增加系統的功率轉換密度。為確保使用功率GaN FET的系統能符合規範，設計人員應了解造成衰退的潛在原因，並監控在不同時間及溫度下的效果。
若要監控動態導通阻抗增減，其中一項簡易方式為測量不同時間及電壓下的轉換效能，為分析損耗發生位置，系統設計應可即時監控汲極、閘極、源極與裝置電流波形，在頻率高於1MHz、電壓最高1000伏特、電流最高15 amps的條件下，系統仍可在安全運作區域內硬切換FET。
藉由記錄與分析即時波形，可進一步認識高頻率效應，例如高dv/dt、閘極驅動器電感、電路板配置等，對GaN設計均相當重要，監控不同時間與溫度下的即時資訊趨勢，能夠幫助掌握GaN FET衰退資訊，也更加了解智慧驅動器和控制器產品的需求。
(本文作者為德州儀器事業發展經理)