寬禁帶半導(dǎo)體的潛力

追求更高效的電子產(chǎn)品以功率器件為中心，而半導(dǎo)體材料則處于研發(fā)活動(dòng)的前沿。硅的低成本和廣泛的可用性使其在幾年前超越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)地位讓給兩種更高效率的替代品：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)體系列。WBG 非凡的物理和電氣特性使這些材料非常適合滿足高頻電源應(yīng)用的性能需求，包括極端功率和工作溫度以及對以緊湊外形實(shí)現(xiàn)更快、高效、低損耗開關(guān)的激增要求。

WBG 設(shè)備的最新市場分析預(yù)測估計(jì)，未來 10 年的復(fù)合年增長率 (CAGR) 約為 30%，使全球銷售額從 2015 年的 2.1 億美元增至 2025 年的 37 億美元。

WBG 特性及在電力電子中的適用性

寬帶隙材料的物理和電氣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(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、更高的工作溫度能力和更低的輻射敏感性。

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，WBG 半導(dǎo)體可以達(dá)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(dǎo)體工作溫度就越高。

與硅相比，SiC 和 GaN 的電子遷移率更高，使使用這些 WBG 材料構(gòu)建的設(shè)備能夠以更高的開關(guān)速度運(yùn)行。寬帶隙材料可以降低能耗。作為熱量耗散的能量的減少不僅減少了功率損失，而且使系統(tǒng)更小，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 的卓越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的開關(guān)頻率。

開關(guān)頻率的增加還降低了電感，從而減小了必需電容器的尺寸。高開關(guān)頻率可縮小組件尺寸并顯著降低噪聲和振動(dòng)。

Infineon Technologies、NXP Semiconductors 和 STMicroelectronics 等公司正在使用 WBG 材料來適應(yīng)電動(dòng)汽車、光電和其他存在嚴(yán)苛工作條件的應(yīng)用的新電源設(shè)計(jì)中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)鍵的工作環(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期可靠性。WBG 半導(dǎo)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。就碳化硅而言，其熱導(dǎo)率高于硅或 GaN。因此，碳化硅在高溫應(yīng)用中具有效率優(yōu)勢，因?yàn)樗畲笙薅鹊靥岣吡藢?dǎo)熱能力，從而增加了可實(shí)現(xiàn)的功率密度。由于其高熔點(diǎn)和高導(dǎo)熱性，碳化硅可以在比硅更高的溫度下工作。SiC 是具有高電壓和電流值的電源應(yīng)用的首選材料，而 GaN 仍然是射頻領(lǐng)域的主要材料，其中電壓不會(huì)達(dá)到很高的值但擊穿電場更高。

碳化硅技術(shù)可以在高達(dá) 1,700 V 的電壓下工作。因此，碳化硅器件幾乎完全取代了能源、工業(yè)和運(yùn)輸領(lǐng)域的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?；?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。

圖 1：英飛凌利用其系統(tǒng)和制造專業(yè)知識以及自己的 SiC 技術(shù)生產(chǎn) CoolSic 產(chǎn)品組合。（圖片：英飛凌科技）

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(shè)計(jì)。英飛凌正在大批量生產(chǎn) 1,200-V CoolSiC MOSFET 的全面產(chǎn)品組合。這些器件的額定值為 30 mΩ 至 350 mΩ，并采用 TO247-3 和 TO247-4 外殼（圖 1）。

STMicroelectronics 表示，其 650V 和 1,700V SiC MOSFET 具有單位面積極低的導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 以及出色的開關(guān)性能，可轉(zhuǎn)化為更高效、更緊湊的系統(tǒng)。MOSFET 是 STPOWER 系列的一部分（圖 2）。

圖 2：STPOWER 產(chǎn)品組合基于寬帶隙材料的先進(jìn)特性。（圖片：意法半導(dǎo)體）

恩智浦為蜂窩基礎(chǔ)設(shè)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(jìn)的射頻性能以簡化 5G 部署。恩智浦 GaN 技術(shù)還支持國防和工業(yè)行業(yè)的高頻操作（圖 3）。

圖 3：MMRF5021H 125W CW GaN-on-SiC 晶體管用于寬帶射頻放大器，面向軍事和工業(yè)應(yīng)用。（圖片：恩智浦）

隨著硅在功率和頻率方面達(dá)到其應(yīng)用極限，GaN 和 SiC 技術(shù)在電力電子應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，它們的特性滿足緊湊性、輕量化、高效率和高密度功率的要求。技術(shù)挑戰(zhàn)仍然存在，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程中更關(guān)鍵的問題。

審核編輯 黃昊宇