對(duì)更高效電子產(chǎn)品的追求集中在功率器件上，而半導(dǎo)體材料處于研發(fā)活動(dòng)的前沿。硅的低成本和廣泛的可用性使其在多年前取代鍺成為主要的功率半導(dǎo)體材料。
然而，今天，硅正在將其在功率器件中的主導(dǎo)地位讓給兩種效率更高的替代品：碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。
這些高度創(chuàng)新的材料屬于寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體家族。寬帶隙半導(dǎo)體非凡的物理和電學(xué)特性使這些材料成為滿足高頻功率應(yīng)用性能需求的天然材料，包括功率和工作溫度極限以及對(duì)更快、高效、低損耗開(kāi)關(guān)的不斷增長(zhǎng)的要求。緊湊的外形尺寸。
最新的寬帶隙器件市場(chǎng)分析預(yù)測(cè)估計(jì)，未來(lái) 10 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 約為 30%，使全球銷售額從 2015 年的 2.1 億美元增加到 2025 年的 37 億美元。
寬禁帶半導(dǎo)體特性及電力電子適用性
寬帶隙材料的物理和電學(xué)特性決定了用它們構(gòu)建的功率半導(dǎo)體的功能和應(yīng)用特性。從物理的角度來(lái)看，所有固態(tài)元素都有電子，這些電子要么與元素的原子核相連，要么在更高的能級(jí)（分別為價(jià)帶和導(dǎo)帶）上自由移動(dòng)。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙是定義和構(gòu)建寬帶隙半導(dǎo)體的基本物理參數(shù)。WBG 材料的巨大帶隙轉(zhuǎn)化為更高的擊穿電場(chǎng)、更高的工作溫度能力和更低的輻射敏感性。
硅
硅的帶隙為 1.12 電子伏特；砷化鎵，1.4 eV；碳化硅，2.86 eV；和氮化鎵，3.4 eV。隨著工作溫度的升高，價(jià)帶中電子的熱能相應(yīng)增加，一旦達(dá)到特定的閾值溫度，就會(huì)進(jìn)入導(dǎo)帶。在硅的情況下，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的閾值溫度為 150°C。由于它們的高能隙，寬帶隙半導(dǎo)體可以達(dá)到更高的溫度，而無(wú)需電子積累能量。因此，帶隙越大，可持續(xù)的半導(dǎo)體工作溫度就越高。
與硅相比，SiC 和 GaN 的更高電子遷移率使得使用這些 WBG 材料構(gòu)建的器件能夠以更高的開(kāi)關(guān)速度運(yùn)行。寬帶隙材料可以降低能耗。以熱量形式耗散的能量減少不僅可以減少功率損耗，而且還可以實(shí)現(xiàn)更小的系統(tǒng)，與硅解決方案相比降低了成本。因此，WBG 半導(dǎo)體比硅等效物更有效。WBG 卓越的功率密度允許使用更緊湊的散熱器，并支持更高的工作溫度以及更高頻率的開(kāi)關(guān)。
開(kāi)關(guān)頻率的增加也降低了電感，并隨之減小了所需電容器的尺寸。高開(kāi)關(guān)頻率可縮小元件尺寸，并顯著降低噪音和振動(dòng)。
Infineon Technologies、NXP Semiconductors 和 STMicroelectronics 等公司正在使用 WBG 材料來(lái)適應(yīng)電動(dòng)汽車、光電子和其他具有嚴(yán)苛工作條件的應(yīng)用的新電源設(shè)計(jì)所涉及的高功率和頻率。WBG 功率半導(dǎo)體超越了硅的性能極限，即使在關(guān)鍵的操作環(huán)境中也能保證出色的性能。WBG 器件還提供更低的導(dǎo)通電阻、更高的擊穿電壓以及更高的短期和長(zhǎng)期可靠性。WBG 半導(dǎo)體的擊穿電場(chǎng)允許更低的漏電流和更高的工作電壓。
氮化鎵
氮化鎵在三種選擇（GaN、SiC 和硅）中具有最高的電子遷移率，使其成為所需頻率非常高的應(yīng)用的最佳材料。就其本身而言，碳化硅具有比硅或 GaN 更高的熱導(dǎo)率。因此，SiC 在高溫應(yīng)用中具有效率優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗畲笙薅鹊靥岣吡藢?dǎo)熱能力，從而提高了可實(shí)現(xiàn)的功率密度。由于其高熔點(diǎn)和高導(dǎo)熱性，SiC 可以在比硅更高的溫度下工作。SiC 在具有高電壓和電流值的功率應(yīng)用中是首選材料，而 GaN 仍然是射頻領(lǐng)域的主要材料，其中電壓不會(huì)達(dá)到非常高的值但擊穿電場(chǎng)更高。
碳化硅技術(shù)
SiC 技術(shù)可以在高達(dá) 1,700 V 的電壓下工作。因此，在能源、工業(yè)和運(yùn)輸領(lǐng)域，SiC 器件幾乎完全取代了硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。與此同時(shí)，GaN 半導(dǎo)體可以在高達(dá) 600 V 的電壓下工作。基于 GaN 的 MOSFET 和肖特基二極管的損耗低于基于硅 IGBT 技術(shù)的器件。
CoolSiC MOSFET。
英飛凌科技表示，其 CoolSiC 系列可讓工程師開(kāi)發(fā)具有最佳系統(tǒng)成本/性能比的全新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。英飛凌正在大批量生產(chǎn)全面的 1,200-V CoolSiC MOSFET 產(chǎn)品組合。這些器件的額定值為 30 mΩ 至 350 mΩ，采用 TO247-3 和 TO247-4 外殼。
STPOWER 產(chǎn)品組合基于寬帶隙材料的先進(jìn)特性
恩智浦為蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施以及工業(yè)和國(guó)防市場(chǎng)提供 GaN-on-SiC 解決方案。隨著蜂窩市場(chǎng)轉(zhuǎn)向更高的頻率和功率水平，WBG 技術(shù)提供最先進(jìn)的射頻性能來(lái)簡(jiǎn)化 5G 部署。NXP GaN 技術(shù)還支持國(guó)防和工業(yè)行業(yè)的高頻操作
MMRF5021H 125-W CW GaN-on-SiC 晶體管。
隨著硅在功率和頻率方面的應(yīng)用達(dá)到極限，GaN 和 SiC 技術(shù)在電力電子應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，它們的特性適合對(duì)緊湊、重量輕、高效率和高密度功率的要求。技術(shù)挑戰(zhàn)依然存在，特別是在降低成本和總散熱方面，在半導(dǎo)體的情況下，這源于傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。工程師必須處理 SiC 碳化物部分的一些缺陷，并克服氮化鎵制造過(guò)程中更關(guān)鍵的問(wèn)題。
