氮化镓二级管工作原理

　　氮化镓(GaN)二极管是基于宽禁带半导体材料氮化镓的高频、高功率器件，其工作原理依托材料特性与异质结结构设计，核心是利用二维电子气(2DEG)实现高效导电与快速开关，以下从结构、核心机制及工作特性展开说明：

　　一、核心结构：异质结与二维电子气(2DEG)

　　GaN 二极管的典型结构为AlGaN/GaN 异质结，由多层材料堆叠而成：

　　底层为衬底(常用 SiC 或蓝宝石，提供机械支撑与散热);

　　中间为 GaN 缓冲层(降低晶格失配应力);

　　顶层为 AlGaN 势垒层(Al 组分通常 15%-30%)，表面覆盖金属电极(如 Ti/Al/Ni/Au 肖特基接触)。

　　关键特性：AlGaN 与 GaN 的晶格常数差异(约 1.4%)及自发极化 / 压电极化效应，会在两者界面处形成强内建电场，将自由电子 “束缚” 在 GaN 一侧的界面处，形成一层高密度(10¹³-10¹⁴ cm⁻²)、高迁移率(约 2000 cm²/V・s)的二维电子气(2DEG)。这层 2DEG 是 GaN 二极管导电的 “通道”，其高浓度与高迁移率直接决定了器件的低导通电阻特性。

　　二、工作原理：基于肖特基势垒的单向导电

　　GaN 二极管多为肖特基势垒二极管(SBD)，利用金属与半导体接触形成的肖特基势垒实现单向导电，核心过程如下：

　　正向导通(正向偏压)：

　　当金属电极接正电压、衬底接负电压时，外加电场会削弱 AlGaN/GaN 界面的内建电场，肖特基势垒高度降低。此时，2DEG 中的电子可克服势垒，从 GaN 层通过 AlGaN 势垒层流向金属电极，形成正向电流。由于 2DEG 浓度极高，导通电阻极低(通常 < 10 mΩ・cm²)，且电子迁移率高，电流密度可达传统硅二极管的 5-10 倍。

　　反向截止(反向偏压)：

　　当金属电极接负电压时，外加电场与内建电场叠加，肖特基势垒升高，2DEG 中的电子被 “阻挡”，无法形成反向电流。同时，GaN 材料的宽禁带特性(3.4 eV，是硅的 3 倍) 使其击穿电场强度高达 3.3 MV/cm(硅仅 0.33 MV/cm)，因此能承受极高的反向电压(数百至数千伏)而不击穿，远超硅二极管的耐压能力。

　　三、核心优势：无反向恢复与高频特性

　　与传统硅二极管相比，GaN 二极管的工作原理带来两个关键特性：

　　零反向恢复时间：硅二极管反向截止时，PN 结中存储的少数载流子(空穴)需耗时 “复合”，导致反向恢复电流;而 GaN 二极管是单极型器件(仅电子导电)，无少数载流子存储，反向截止时电流可瞬间归零，开关速度达纳秒级(10-100 ns)，适合高频场景。

　　高温稳定性：宽禁带使 GaN 在高温下(>200℃)仍能保持载流子浓度稳定，配合 SiC 衬底的高导热性(约 490 W/m・K)，可在高功率密度下稳定工作，无需复杂散热设计。

　　四、应用场景：依托原理的核心价值

　　GaN 二极管的低导通损耗、高频开关特性，使其广泛应用于：

　　新能源汽车充电桩(高频化减小变压器体积);

　　5G 基站电源(高功率密度适配小型化需求);

　　光伏逆变器(提升转换效率至 99% 以上)。

　　简言之，GaN 二极管的工作原理是通过 AlGaN/GaN 异质结构建高浓度 2DEG 通道，利用宽禁带特性实现高耐压与高温稳定性，同时凭借单极型导电消除反向恢复损耗，最终达成 “高频、高效、高功率” 的核心优势。