GaN是一種寬帶隙材料，與硅材料的1.12eV的帶隙相比，它的帶隙達到3.4eV。這個寬帶隙使得器件在被擊穿前，能夠支持比同樣大小的硅器件高很多的電場。某些器件設計人員常用來幫助確定器件可靠性的測試有高溫反向偏置 (HTRB)、高溫柵極偏置 (HTGB) 和經(jīng)時電介質(zhì)擊穿 (TDDB)。這些都是靜態(tài)測試，雖然在驗證器件設計有效性方面是好方法，但是在高頻開關動態(tài)效應占主導地位時，就不能代表典型使用情況。高溫工作壽命 (HTOL) 是器件開關過程中的動態(tài)測試。特定的工作條件由制造商確定，但是這些工作條件通常處于某些標稱頻率、電壓和電流下。

早期對于GaN針對RF放大器的使用研究發(fā)現(xiàn)了一個性能退化效應，此時器件能夠傳送的最大電流被減少為漏極電壓偏置的函數(shù)。這個隨電壓變化的（捕獲引入）效應被稱為“電流崩塌”。在緩沖器和頂層捕獲的負電荷導致電流崩塌或動態(tài)Rds-On增加。在施加高壓時，電荷可被捕獲，并且在器件接通時也許無法立即消散。已經(jīng)采用了幾個器件設計技巧（電場板）來減少大多數(shù)靈敏GaN FET區(qū)域中的電場強度。電場板已經(jīng)表現(xiàn)出能夠最大限度地減小RF GaN FET和開關功率GaN FET中的這種影響。

GaN是一種壓電材料。GaN器件設計人員通過添加一個晶格稍微不匹配的AIGaN緩沖層來利用這個壓電效應。這樣做增加了器件的應力，從而導致由自發(fā)和壓電效應引起的極化場。這個二維電子氣 (2DEG) 通道就是這個極化場的產(chǎn)物。具有2DEG通道的器件被稱為高電子遷移晶體管 (HEMT)。不幸的是，在器件運行時，高外加電場也會導致有害的壓電應力，從而導致另外一種形式的可能的器件退化。對于諸如GaN的新技術來說，擁有一個證明可靠性的綜合性方法很重要。如需了解與TI計劃相關的進一步細節(jié)，請參考Sandeep Bahl的白皮書，一個限定GaN產(chǎn)品的綜合方法。

為了降低成本，功率GaN目前采用的是6英寸硅基板。由于硅和GaN晶格不匹配，會出現(xiàn)線程脫位。這會導致晶格缺陷，并增加捕獲的可能性。這些捕獲的影響取決于它們的數(shù)量和在器件中的位置。捕獲狀態(tài)，占據(jù)或非占據(jù)，也是施加的電場和時間的一個函數(shù)。捕獲充放電可能在最短100ns到最長數(shù)分鐘的時間范圍分布。最接近柵極區(qū)域的捕獲充電和放電會調(diào)制器件的轉(zhuǎn)導。所有這些效應是GaN FET的Rds-On的復雜電壓和時間相關性的基礎。在限定期間，工程師通常在延長的期間內(nèi)對器件施加DC應力，并且定期移除這一應力，以描述單個半導體測試的情況。移除器件電壓偏置，即使只有幾秒鐘的時間，也可以實現(xiàn)某些捕獲放電，這樣的話，就不會影響到與實際運行相關的動態(tài)Rds-On值了。

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總結

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與硅FET相比，功率GaN FET具有很多優(yōu)勢，比如說更低的開關損耗和更高的頻率切換能力。更高的開關頻率可被用來增加系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換密度。要限定一個正在使用功率GaN FET的系統(tǒng)，設計人員應該了解可能的退化源，并隨時監(jiān)視它們在溫度變化時的影響。一個監(jiān)視動態(tài)Rds-ON增加的簡單方法就是測量時間和電壓變化過程中的轉(zhuǎn)換過程的效率。為了更好地了解損耗出現(xiàn)的位置，系統(tǒng)被設計成能夠?qū)崟r監(jiān)視漏極、柵極、源極和器件電流波形。此系統(tǒng)能夠通過它們的SOA，以1MHz以上的頻率，在電壓高達1000V和電流高達15A時，硬開關FET。

捕捉和分析實時波形可以幫助我們更好地理解高頻效應，比如說dv/dt、柵極驅(qū)動器電感和電路板布局布線，這些在基于GaN的設計中都很關鍵。監(jiān)視時間和溫度范圍內(nèi)趨勢變化的實時信息能夠為我們提供更好的GaN FET退化信息，并使我們對于更加智能器件和控制器產(chǎn)品的需求有深入的理解。