硅功率 MOSFET 在过去四十多年里一直是低压和中压电能转换中最重要的器件。它之所以成为从消费电子、通信基础设施到工业电源和汽车系统等各种应用的首选，是因为它易于使用，拥有成熟的制造生态系统，并且性能易于预测。随着时间推移，通过从平面结构发展到沟槽结构以及超结设计等架构改进，其导通电阻在保持电压能力的同时不断降低。

但硅 MOSFET 技术正逐渐接近其基本物理极限。随着现代电子系统对更高效率、更高功率密度以及更快动态性能的需求不断提升，宽禁带半导体，尤其是氮化镓（GaN），正成为低压领域的自然继任者。GaN 在原子层面改变了功率器件的工作方式，从而开启了新的电能转换架构，并改变了整个系统的运行方式。

硅 MOSFET 的物理极限

硅 MOSFET 的性能受到导通损耗与开关损耗之间权衡关系的限制。为了实现低导通电阻（R_DS(on)），通常需要增大器件面积，而这又会增加寄生电容，例如栅电荷（Q_g）和输出电容（C_oss）。更高电容与更慢转换速度之间的权衡源于硅材料本身的特性，尤其是其较低的临界电场强度。硅无法承受很高的电场，因此器件需要更大的体积来承受电压，这会直接增加电容。因此，随着开关频率的提高，MOSFET 的效率会下降，这迫使设计人员在较低频率下运行转换器。数十年来，在保持开关频率处于实际范围内的同时平衡导通与开关损耗，一直塑造着电力电子设计的发展。

导通电阻与击穿电压

在 MOSFET 等单极型器件中，导通电阻与击穿电压之间的关系从根本上由半导体材料的特性决定。漂移区的比导通电阻可以近似表示为：

R_DS(on) = 4*V_BR² / (ε₀ ε_r μ_n E_crit³)

其中 V_BR 为击穿电压，μ_n 为电子迁移率，ε_r 为相对介电常数，E_crit 为材料的临界电场。

这一关系揭示了临界电场的主导作用。由于 R_DS(on) 与 E_crit 的立方成反比，能够承受更高电场的材料在相同电压等级下可以实现显著更低的电阻。

硅的临界电场相对较低（约 0.23 MV/cm）。因此，为了承受更高电压，器件需要厚且轻掺杂的漂移区，这会显著增加电阻和芯片面积。这正是数十年来塑造硅功率电子技术的基本权衡。

2DEG：GaN HEMT 的核心

GaN 器件采用一种基于铝镓氮（AlGaN）与 GaN 异质结的特殊结构。

当一层薄的 AlGaN 生长在 GaN 上时，由于晶格结构和极化差异，会在材料内部产生强电场。在两种材料的界面处，这些电场形成二维电子气（2DEG）。

该二维电子气形成一个极薄的导电通道，具有非常高的载流子密度和电子迁移率，远高于体 GaN。这使得导电路径具有极低的电阻，而且无需进行会降低迁移率的重掺杂。

这一机制使 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）能够在保持高耐压能力的同时，实现极低的 R_DS(on)。

Maurizio Di Paolo Emilio, Director of Global Marketing Communications at EPC