對更高效電子產(chǎn)品的追求集中在功率器件上，而半導體材料處于研發(fā)活動的前沿。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體材料。
然而，今天，硅正在將其在功率器件中的主導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) 半導體家族。寬帶隙半導體非凡的物理和電學特性使這些材料成為滿足高頻功率應用性能需求的天然材料，包括功率和工作溫度極限以及對更快、高效、低損耗開關的不斷增長的要求。緊湊的外形尺寸。
最新的寬帶隙器件市場分析預測估計，未來 10 年的復合年增長率 (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。
寬禁帶半導體特性及電力電子適用性
寬帶隙材料的物理和電學特性決定了用它們構(gòu)建的功率半導體的功能和應用特性。從物理的角度來看，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（分別為價帶和導帶）上自由移動。價帶和導帶之間的能隙是定義和構(gòu)建寬帶隙半導體的基本物理參數(shù)。WBG 材料的巨大帶隙轉(zhuǎn)化為更高的擊穿電場、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，價帶中電子的熱能相應增加，一旦達到特定的閾值溫度，就會進入導帶。在硅的情況下，從價帶躍遷到導帶所需的閾值溫度為 150°C。由于它們的高能隙，寬帶隙半導體可以達到更高的溫度，而無需電子積累能量。因此，帶隙越大，可持續(xù)的半導體工作溫度就越高。
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關速度運行。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關。
開關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。高開關頻率可縮小元件尺寸，并顯著降低噪音和振動。
Infineon Technologies、NXP Semiconductors 和 STMicroelectronics 等公司正在使用 WBG 材料來適應電動汽車、光電子和其他具有嚴苛工作條件的應用的新電源設計所涉及的高功率和頻率。WBG 功率半導體超越了硅的性能極限，即使在關鍵的操作環(huán)境中也能保證出色的性能。WBG 器件還提供更低的導通電阻、更高的擊穿電壓以及更高的短期和長期可靠性。WBG 半導體的擊穿電場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 更高的熱導率。因此，SiC 在高溫應用中具有效率優(yōu)勢，因為它最大限度地提高了導熱能力，從而提高了可實現(xiàn)的功率密度。由于其高熔點和高導熱性，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用中是首選材料，而 GaN 仍然是射頻領域的主要材料，其中電壓不會達到非常高的值但擊穿電場更高。
碳化硅技術(shù)
SiC 技術(shù)可以在高達 1,700 V 的電壓下工作。因此，在能源、工業(yè)和運輸領域，SiC 器件幾乎完全取代了硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。與此同時，GaN 半導體可以在高達 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 系列可讓工程師開發(fā)具有最佳系統(tǒng)成本/性能比的全新產(chǎn)品設計。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特性
恩智浦為蜂窩基礎設施以及工業(yè)和國防市場提供 GaN-on-SiC 解決方案。隨著蜂窩市場轉(zhuǎn)向更高的頻率和功率水平，WBG 技術(shù)提供最先進的射頻性能來簡化 5G 部署。NXP GaN 技術(shù)還支持國防和工業(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用達到極限，GaN 和 SiC 技術(shù)在電力電子應用中占據(jù)主導地位，它們的特性適合對緊湊、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，在半導體的情況下，這源于傳導和開關損耗。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程中更關鍵的問題。
