Gallium Nitrid (GaN)-Halbleiter sind Komponenten von High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMT), einer Klasse von Transistoren mit nahezu perfekten Schalteigenschaften. HEMT bedeutet, dass sich die Elektronen innerhalb der internen Kristallstruktur als zweidimensionales Elektronengas mit sehr hoher Mobilität bewegen, wodurch ein Gerät mit sehr hoher Leitfähigkeit und niedrigem RDS ON entsteht. Die Verwendung der GaN-Chemie erhöht die Durchbruchsspannung, was dazu führt, dass innerhalb des Transistors sehr dünne Schichten dicht beieinander positioniert werden können. Dadurch wird sowohl die Schaltgeschwindigkeit beschleunigt als auch die Gate-Kapazität reduziert.
Der Enhancement-Mode-Typ (E-HEMT) hat eine Verarmungszone unter dem Gate, die den Elektronenfluss blockiert und eine positive Gate-Spannung in Bezug auf den SourcePin benötigt, um einzuschalten. Da die Verarmungszone unter dem Gate so dünn ist, wird sehr wenig injizierte Ladung benötigt, um den Transistor ein- und auszuschalten, sodass Schaltgeschwindigkeiten im MHz-Bereich möglich sind, ohne dass hohe Schaltverluste entstehen.
Die extreme Dünnheit der Gate-Isolationsschicht bedeutet, dass hohe Gate-SourceSpannungen einen internen Überschlag verursachen, obwohl das Material selbst eine hohe Durchbruchspannung aufweist. Ein GaN E-HEMT hat eine typische volle Anhebungsspannung von 7 V, wird aber beschädigt, wenn die VGS ±10 V überschreitet, was viel niedriger ist als die Gate-Spannungen, die typischerweise in IGBT- oder SiC-GateTreibern verwendet werden. Aufgrund der extrem schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten des kapazitätsarmen Gate-Kanals kann jede übermäßige Induktivität in der externen GateAnsteuerung zu Spannungsspitzen oder Rufspannung führen, was ein Überschreiten dieser Spannungsgrenzen zur Folge hat. Daher ist eine Gate-Treiberspannung von 6 V ein guter Kompromiss zwischen hoher Effizienz und dem Verbleib in einem sicheren Betriebsbereich.
IGBT- oder SiC-Gate-Treiberschaltungen schalten typischerweise auch mit einer negativen Gate-Treiberspannung ab. Dies beschleunigt die Ladungsentnahme aus der Gate-Kapazität und damit die Abschaltzeit. GaN-Transistoren haben eine so geringe Gate-Kapazität, dass eine negative Gate-Ansteuerung nicht notwendig ist. Eine Gate-Spannung von 0 V schaltet den HEMT innerhalb von Nanosekunden vollständig und zuverlässig ab. Nur wenn das Layout eine zu hohe Induktivität aufweist, würde ein negativer Gate-Treiber Schutz vor unbeabsichtigtem Einschalten durch Überschwingungen bieten. Da HEMTs jedoch keine Body-Diode wie MOSFETs haben und symmetrisch leitende Geräte sind, erhöht eine negative Gate-Spannung die Sperrleitungsverluste. Eine einseitige Gate-Treiberspannung
von 6 V bis 0 V ist ideal.
