功耗是当今电子规划以及测验中最抢手也是竞赛最剧烈的范畴之一。这是因为人们对高能效有激烈需求，希望能充分运用电池能量，协助消减动力帐单，或许支撑空间灵敏或热量灵敏型运用。
在经过30年的开展之后，硅MOSFET开展现已挨近其理论极限。硅技能的前进现在十分缓慢，很少数的前进都需求支付巨大的开发本钱。而像碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等代替性半导体资料正在逐步成为首选资料。特别是GaN在许多范畴都得到了人们的喜爱，因为它能将硅片用作基板，然后带来与硅MOSFET适当挨近的价格。因为GaN还处于生命周期的前期阶段，因而在未来几年内人们将见证到它明显的改善。
这些新资料不只经过更快的开关速度还经过下降导通电压(Rds On)来进步功率。当然，任何一种新技能带来的不只是共同的规划应战，还有测验与丈量方面的应战。从测验视点看，这些资料所需的测验设备不只要有更高的带宽，还要有更高的灵敏度。运用现成的电压探针并希望很小的信号失真和加载的日子现已成为曩昔。本文将扼要介绍GaN，然后要点评论测验方面的应战。
功耗打破
据IMS Research公司最新陈述猜测，2021年GaN功率半导体商场将从2011年的简直为零添加到超越10亿美元。这家商场研讨公司剖析了这些产品的一切要害终端商场，终究发现电源、太阳能逆变器和工业电机驱动将是三个首要的添加点。
上述陈述指出，在曩昔两年中GaN晶体管开发不断在提速。世界整流器公司(IR)的“GaNpowIR”和宜普公司(EPC)的“eGaN FET”器材的发布敞开了2010年的低压商场。而Transphorm公司的600V GaN晶体管则带来了GaN与高压MOSFET和IGBT竞赛的或许性。
猜测GaN飞速添加的一个要害理由是新工艺能够充分运用现有的出产根底设施。这些制作工艺将GaN半导体本钱从约10倍于传统硅下降到了一个极具竞赛力的水平，特别是关于要求进步功能的运用来说。其根本办法是在带有氮化铝缓冲层的硅基板顶部成长GaN。
举例来说，宜普工艺开始于并不贵重的硅晶圆。首要在硅片上成长一薄层的氮化铝(AIN)，用于阻隔器材结构与基板。关于200V及200V以下器材来说阻隔层是300V的。在此根底上再成长一层厚的阻性GaN层。这样就为构建GaN晶体管供给了根底。接着要在GaN层上涂覆电子产生资料。这一层将创立一个具有丰厚自由电子的量子应力场。进一步处理将在栅极底部构成一个耗尽区。为了增强晶体管功能，运用与导通N沟道增强型功率MOSFET相同的办法在栅极上施加一个正电压，如图1所示。这种结构再被重复许屡次就能构成一个实践的功率器材了。终究结果是一个合适功率开关的、极具本钱效益的优异解决方案。
图1：宜普GaN能够运用现有出产根底设施完成极高的本钱效益。
在运用方面，IMS陈述猜测GaN首要会在电源范畴获得较大吸引力，因为其整体体系本钱的节约超越了器材的单位价格上升。这些运用包含PC和笔记本电源适配器、服务器等，而比方室内空调等国内电器设备、微型光伏逆变器、电动轿车电池充电和其它新运用有或许在不久的将来也会用上GaN功率器材。
凭仗其较宽的带隙，GaN器材对高温运用来说十分有吸引力。比方，轿车制作商就对在混合动力轿车中的电源转化部分运用GaN器材十分感兴趣。曩昔，发动机规划师都是在这些运用中运用硅功率MOSFET，但因为温度方面的考量一般都要使电子器材远离于发动机模块。抱负情况下，功率半导体应该附近发动机，以便缩短走线、减轻分量并下降压降丢失。GaN器材据报道能够接受高达300℃的温度，在此温度下仍能高效作业。
在信息处理和存储体系，整个电源架构能够从头评价，以便充分发挥GaN资料的杰出开关功能优势。当交直流转化器的输出电压上升时，功率将随之进步。当总线电压添加时，传输功率随之进步。当频率进步时，产品体积将变小。据宜普公司称，GaN用作同步整流器时能够使能终究一级，再由终究一级使能前两级，一起进步交直流转化功率。GaN还能答应删去中间级转化器，完成单级转化，然后省却中间级转化器的体积和本钱。
GaN测验应战
与硅器材比较，GaN愈加挨近抱负功率开关的特性，即堵塞无限起伏电压、承载无限大电流、瞬时开关以及要求零驱动功耗。当然，GaN也无法到达完美境地，但比硅要愈加挨近完美。总归，GaN能够供给更高的堵塞电压、更低的导通电阻和更快的速度。
经过比较测验标明，GaN FET通道能以纳秒速度开关，甚至在承载高达10A电流、开关频率约为80MHz的时分。GaN开关的缺陷是电流峰值更快，压降相应也更快。不只GaN器材开关速度更快，而且其导通阈值在漏极至源极电阻不变的情况下也更低。
为了充分发挥新资料的优势，需求运用示波器来表征GaN器材的行为，并丈量开关进程中的损耗。当电压摆幅为600V或更高时，GaN器材要求快速仪器才干跟得上。示波器需求具有满足的带宽来盯梢开关进程，还需求具有满足高的分辨率来捕获低电压时的开关进程。
探针是约束要素之一。现在最好的高压差分探针供给约200MHz的带宽，丈量信号电压高至1.5kV。一些单端高压探针能够供给800MHz的带宽，因而能够用来丈量600V摆幅的信号。展望未来，或许需求kV丈量规模和GHz以上带宽的探针,这样的探针现在还没有。
运用高压探针的别的一个应战是保证探针之间有满足的绝缘和空隙，而且不影响丈量功能。举例来说，长引线或许导致来自电路加载和振铃的感应现象，然后使得判别问题真实本源变得困难。测验设备制作商正在运用多种技能进步保真度，比方添加探针的阻尼电阻。
更高分辨率
高带宽和高电压通常是相互排挤的，因而为了丈量600V的源极-漏极电压以及毫伏级的栅极电压，需求运用高分辨率的示波器。绝大多数示波器都是选用8位分辨率的ADC，但经过运用均匀和高分辨率形式分辨率能够得到明显进步。
关于具有天然重复特性的信号来说，均匀法供给了大起伏进步信号笔直分辨率的有用途径。这种以位数为丈量单位的功能增强是总均匀数的一个函数：
增强分辨率=0.5 log2(N)
其间：N代表要求的总的均匀数
在许多示波器中，均匀算法是用定点数学办法完成的。这意味着最大均匀数是10,000，因而将总的分辨率位数约束在了抱负的最大值14.64，见表1。这种均匀办法能够坚持完好的信号模仿带宽。
表1：经过均匀法得到的示波器笔直增强分辨率。
尽管对许多运用来说均匀是一种很有用的技能，但这种办法不合适单次收集。此刻的解决方案是运用积分均匀技能核算和显现在每次采样距离中一切接连采样值的均匀值。这种形式为过采样有关波形的额定信息供给了一种折衷办法。在这种情况下，额定的水平采样信息被代之以更高的笔直分辨率以及带宽与噪声的削减。
带宽约束和运用这种均匀技能得到的笔直分辨率进步起伏与仪器的最大采样率和当时所选采样率有关。表2显现了运用最大采样率为10GS/s的示波器能带来的功能进步。笔直分辨率的位数添加量为0.5 log2*(D)(其间：D是抽取比率，或最大采样率/实践采样率),
终究的-3dB带宽(除非受丈量体系的模仿带宽进一步约束)是：0.44*SR(其间：SR代表实践采样率)。
表2：运用积分均匀办法完成的笔直增强分辨率。
本文小结
跟着对进步成效要求的继续推动，具有30年开展前史的硅MOSFET现已到达了有用功能极限。现在业界专家现已预见到代替产品的快速添加，最著名的要数GaN了，因为在硅基板上成长GaN的新制作工艺能够运用标准化的低本钱CMOS工艺，这为GaN功率器材打开了一个宽广的新式商业与工业运用大门。
因为具有高带宽和高电压的有用组合，GaN在测验与丈量前沿面对艰巨的应战，特别是在示波器的高电压探针和高分辨率方面。现在可用的2.5kV和800MHz探针满足600V器材运用，而均匀技能还能够用来进步分辨率。在GaN这个重要范畴，与GaN有关的产品和技能必将得到继续开展和改善。
