2.1 功率 AlGaN/GaN HEMT 簡介 2.1.1 AlGaN/GaN HEMT 操作原理
氮化鋁鎵與氮化鎵高載子遷移率場效電晶體為一異質接面型式 (hetero junction)的電晶體，是經由兩種不同的半導體材料來形成接面，
由氮化鋁鎵與氮化鎵費米能階的不同並配合氮化鎵材料特有的極化 特性，其組成在鄰近界面處會因為熱平衡產生一個位勢井，電子會由 寬能隙 AlGaN 流進 GaN 中，形成一層電子聚集層，這些被局限在位 勢井中的電子又稱為二維電子氣(two-dimensional electron gas /
2DEG)，具有量子化的能量，只能在空間中平行於界面的平面上自由 移動。這樣的結構中，位勢井中的多數載子將和在 AlGaN 中的雜質 參雜原子分隔開來，因此可以極小化雜質散射(impurity scattering)的 效應，比一般情形電子與游離施體在同一個區域下的電子遷移率大很 多。
其操作方式，以 normally on 元件來說，在零偏壓下，GaN 的傳 導帶邊緣在費米能階下，如圖 2-1，此表示有高濃度的二維電子氣存 在，元件為導通狀態。而當有一個負電壓加至閘極時，GaN 的傳導帶 邊緣比費米能階高，表示了在二維電子氣的密度很低，如圖 2-2，可 導通的電流很小，如果施加更大的負電壓，元件便進入截止狀態(pinch off)。
2.1.2 功率 AlGaN/GaN HEMT 結構
圖 2-3 為一般 AlGaN/GaN HEMT 的垂直結構截面圖，為了提高 輸出功率，轉導值和截止頻率，功率 AlGaN/GaN HEMT 通常採用並 連的多指結構(multi-finger structure)，圖 2-4 為此結構的上視圖，這種 透過空橋(air-bridge)連接的並連結構可以有效提高長寬比，充分利用 有限的面積，盡可能的增加輸出電流，降低電阻。
2.2 直流特性分析
直流電流電壓曲線量測分為靜態(static)與脈衝(pulsed)兩種，靜態 曲線的量測方式為持續供給電壓，以穩態的方式量測曲線，脈衝則是 以很短的脈衝電壓輸入來量測。圖 2-5 為文獻上靜態與脈衝電流電壓 曲線的差異，造成如此差異的原因是靜態量測曲線會受到自我熱效應 (self-heating effect)與缺陷效應(trapping effect)的影響。脈衝方式所量 測的曲線可以用來決定不受動態影響的汲極-源極的電流方程式，而 靜態的量測曲線則較趨近於實際功率元件的應用。
本直流特性曲線實驗用的是 Cree 公司生產的 GaN HEMT，封裝 型式與規格如圖 2-6，元件為空乏型電晶體，常態下為導通(Normally on)，做靜態直流電流電壓特性曲線的量測，圖 2-7 為量測電路。此 元件輸出功率為 10 W，截止電壓約為 -3.3 V，圖 2-8 為實驗結果，
當閘極電壓為+2 V 時元件的導通電阻(on-resistance)，約為 0.6 Ω，比
傳統的矽 MOSFET 小很多。
2.2.1 AlGaN/GaN HEMT 熱效應簡介
異質接面的電子其遷移率會有被聲子散射(phonon scattering)的 情況，當半導體晶體的溫度高於絕對零度時，其原子會有熱能，使得 原子在原有的晶格位置做隨機的震動，此震動破壞了晶體原有的位能 函數，造成電子或電洞與震動的晶格原子產生交互作用，如此對載子 的運動即產生散射效應，因此內部當溫度上升時，會降低遷移率，造 成元件之電流下降。
2.3 切換特性分析
2.3.1 AlGaN/GaN HEMT 缺陷效應簡介
在寬能隙材料的場效電晶體中，因為表面的缺陷和成長於基板 上時內部的差排(dislocation)[4]，會產生陷阱能階，在低偏壓時，電 子會被這些陷阱能階限制住，造成暫態載子(quasi-static charge)，如圖 2-9。與熱效應(self-heating)相反，元件導通時間越長，電子逐漸填滿 陷阱能階，電流因此上升，而當切換頻率增加時，電流就會被陷阱能 階限制住，元件開關的速度無法使電流正常輸出，造成輸出功率下降，
文獻上稱為電性散射或衰退(dispersion or slump)[5]。
2.3.2 缺陷效應實驗與結果
實驗架構如圖 2-10，利用訊號產生器輸入方波在閘極，脈波高度
為+2 V/-8 V，其中+2V 為導通-8V 為關閉，頻率分別為 10Hz、100Hz、
1KHz、10KHz、100KHz，工作比為 0.5，藉由不同的脈衝寬度使得 元件操作的情況由穩態逐漸接近暫態，以判斷頻率對暫態載子
(quasi-static charge)導致電流侷限效應的影響。汲極電壓由電源供應器 輸入，電壓範圍為 0 V~25V。當閘極偏壓為截止時，汲極無電流，
VD = VDD，當閘極偏壓為導通時，VD = VDS，由示波器測量可得汲極 端輸出電流為 ID = VDD – VDS / 5Ω。
圖 2-11 為不同切換頻率下 IV Curve 曲線的量測結果，可清楚看 出直流與快速切換在電流輸出上有很大的差異，且隨著切換頻率的增 加所造成的功率限制越大，即為缺陷效應的影響。