實際元件量測與電路實驗結果

本論文分別量測商品化元件 RF3934(圖 4.8(a))與交通大學大自行研發元件 X5A137146A0351-2(圖 4.8(b))，兩元件皆是以 GaN HEMT 為材質的功率電晶體，

本論文分別對其原始崩潰電壓與閘極限流後的崩潰電壓進行量測，量測崩潰電壓 的條件為：閘極輸入直流電壓-7V 確保電晶體關閉，汲極輸入直流電壓 0V~VBV(崩 潰電壓)，分別量測汲極、閘極、源極漏電流，如圖 4.9 所示。

圖 4.8(a) 商品化元件 RF3934 圖 4.8(b) 交通大學大自行研發元件

DC

DC

-7V

0V~V_BV

(breakdown voltage) Drain

Gate

Source +

-- +

-+

圖 4.9 崩潰電壓量測示意圖

以下是商品化元件 RF3934 在國研院奈米元件實驗室(NDL)量測結果，其中 的 4 條曲線分別為是沒限制任何閘極漏電流曲線、限制閘極漏電流 260uA、限制 閘極漏電流 280uA、限制閘極漏電流 300uA。結果如下：分別是 IG_VD 曲線(圖 4.10(a))、ID_VD 曲線(圖 4.10(b))、IS_VD 曲線(圖 4.10(c))。

圖 4.10(a) IG_VD 曲線圖：上到下依序是沒限制任何閘極漏電流曲線、限制閘極漏電流 260uA、

限制閘極漏電流 280uA、限制閘極漏電流 300uA

圖 4.10(b) ID_VD 曲線圖：上到下依序是沒限制任何閘極漏電流曲線、限制閘極漏電流 260uA、

限制閘極漏電流 280uA、限制閘極漏電流 300uA

圖 4.10(c) IS_VD 曲線圖：上到下依序是沒限制任何閘極漏電流曲線、限制閘極漏電流 260uA、

限制閘極漏電流 280uA、限制閘極漏電流 300uA

以下是交通大學大自行研發元件 X5A137146A0351-2 在國研院奈米元件實 驗室(NDL)量測結果，其中的 4 條曲線分別為是沒限制任何閘極漏電流曲線、限 制閘極漏電流 50uA、限制閘極漏電流 60uA、限制閘極漏電流 80uA。結果如下：

分別是 IG_VD 曲線(圖 4.11(a))、ID_VD 曲線(圖 4.11(b))、IS_VD 曲線(圖 4.11(c))。

圖 4.11(a) IG_VD 曲線圖：上到下依序是沒限制任何閘極漏電流曲線、限制閘極漏電流 50uA、

限制閘極漏電流 60uA、限制閘極漏電流 80uA

圖 4.11(b) ID_VD 曲線圖：上到下依序是沒限制任何閘極漏電流曲線、限制閘極漏電流 50uA、

限制閘極漏電流 60uA、限制閘極漏電流 80uA

圖 4.11(c) IS_VD 曲線圖：上到下依序是沒限制任何閘極漏電流曲線、限制閘極漏電流 50uA、

限制閘極漏電流 60uA、限制閘極漏電流 80uA

由實驗結果發現，在 RF3934 這顆電晶體上，原本崩潰電壓大約落在 380V 左右，加了限制閘極漏電流電路以後崩潰電壓大約增加了 5V~10V 左右，利用限 制 閘 極 漏 電 流 來 提 高 崩 潰 電 壓 的 效 果 有 限 ； 而 在 交 大 自 行 研 發 元 件 X5A137146A0351-2 上則看不出崩潰電壓增加的現象，我們發現利用本論文限流 電路架構限制閘極漏電流會導致電晶體閘極電壓上升，圖 4.12 為以商品化元件 RF3934 在汲極電壓 380V，閘極漏電流從 280uA 到 320uA 測量閘極電壓變化的 結果圖，圖中可發現我們所限制的漏電流越小，電晶體閘極的電壓會越高，而電 晶體閘極的電壓也會影響電晶體的崩潰電壓，圖 4.13 為不同閘極電壓下的 VD_ID 曲線示意圖，當閘極電壓上升會使得元件的崩潰電壓下降。

圖 4.12 閘極漏電流 IG 和閘極電壓 VG 的關係圖

圖 4.13 不同閘極電壓下的 ID_VD 曲線圖

第五章

結論與未來計畫

5.1 結論

本論文所提出之適用於 AlGaN/GaN HEMT 功率電晶體二驅動電路設計，主 要著重於上橋電路設計部份，在驅動一般加強型電晶體下，可以藉由本論文 3.3 節所設計的不使用高崩潰電壓元件之加強型上橋驅動電路，先使用二極體來限制 其中的電晶體的「汲極－源極」電壓差，再利用電容來承受高電壓差。此時其位 準轉換器就不必包含具高崩潰電壓的電晶體來承受大的電壓差 ；而在驅動 AlGaN/GaN HEMT 功率電晶體下，可以使用本論文 3.4 節所設計之空乏型上橋 驅動電路設計，雖然輸出電壓高電位下啟動電路仍需要高崩潰電壓的電晶體，但 已可讓電路正常運作，並改善效率。

3.4.3 節 Hspice 模擬以及 3.4.4 節實際做實驗中可驗證 AlGaN/GaN HEMT 閘 極驅動電路在輸出 24V，切換頻率 10K Hz 下運作正常。

在增加 AlGaN/GaN HEMT 崩潰電壓閘極驅動電路設計的部分，因傳統的提 高氮化鎵電晶體崩潰電壓的方式大多是透過製程設計、製程參數設計或是元件設 計來達成。這些作法可能面臨提高崩潰電壓與增加漏電流之間的取捨，且無法適 用於已製作完成的氮化鎵電晶體。本論文提出以電路設計方式來增加氮化鎵電晶 體的崩潰電壓，因此非常具有彈性，且可應用於已製作完成的氮化鎵電晶體，雖 然在 4.4 節顯示實際運用在 GaN 電晶體上增加崩潰電壓的幅度並不大，但在運 用上已是一項突破。

本論文同時提出兩種電路設計，並詳細說明此二驅動電路如何在不影響氮化 鎵電晶體正常開關的情形下，達成上述目的。

5.2 未來計畫

AlGaN/GaN HEMT 閘極驅動電路未來的工作上，除了將啟動電路也改為可 以不使用高崩潰電壓電晶體之電路外，也須提升電路操作頻率，並將此電路設計 成積體電路(ICs)，可使電路運作上減少許多不必要的寄生元件效應(寄生電容、

寄生電感、寄生電阻)增加運作效率，並讓以後在閘極驅動電路運用上更為方便。

增加 AlGaN/GaN HEMT 崩潰電壓閘極驅動電路設計未來的工作上，除了改 善限制電流後反而導致 AlGaN/GaN 電晶體閘極電壓上升的問題外，也需要改善 此驅動電路的操作頻率，使操作頻率能更一步的提高，凸顯 AlGaN/GaN 電晶體 的優勢。

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