宽禁带半导体的潜力
追求更高效的电子产品以功率器件为中心，而半导体材料则处于研发活动的前沿。硅的低成本和广泛的可用性使其在几年前超越锗成为主要的功率半导体材料。然而，今天，硅正在将其在功率器件中的主导地位让给两种更高效率的替代品：碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。
这些高度创新的材料属于宽带隙 (WBG) 半导体系列。WBG 非凡的物理和电气特性使这些材料非常适合满足高频电源应用的性能需求，包括极端功率和工作温度以及对以紧凑外形实现更快、高效、低损耗开关的激增要求。
WBG 设备的最新市场分析预测估计，未来 10 年的复合年增长率 (CAGR) 约为 30%，使全球销售额从 2015 年的 2.1 亿美元增至 2025 年的 37 亿美元。
WBG 特性及在电力电子中的适用性
宽带隙材料的物理和电气特性决定了用它们构建的功率半导体的功能和应用特性。从物理角度来看，所有固态元素都有电子，这些电子要么与元素的原子核相连，要么在更高的能级（分别为价带和导带）上自由移动。价带和导带之间的能隙是定义和构建宽带隙半导体的基本物理参数。WBG 材料的巨大带隙转化为更高的击穿电场、更高的工作温度能力和更低的辐射敏感性。
硅的带隙为 1.12 电子伏特；砷化镓，1.4 eV；碳化硅，2.86 eV；和氮化镓，3.4 eV。随着工作温度的升高，价带中电子的热能相应增加，一旦达到特定的阈值温度，就会进入导带。在硅的情况下，从价带跃迁到导带所需的阈值温度为 150°C。由于它们的高能隙，WBG 半导体可以达到更高的温度，而无需电子积累能量。因此，带隙越大，可持续的半导体工作温度就越高。
与硅相比，SiC 和 GaN 的电子迁移率更高，使使用这些 WBG 材料构建的设备能够以更高的开关速度运行。宽带隙材料可以降低能耗。作为热量耗散的能量的减少不仅减少了功率损失，而且使系统更小，与硅解决方案相比降低了成本。因此，WBG 半导体比硅等效物更有效。WBG 的卓越功率密度允许使用更紧凑的散热器，并支持更高的工作温度以及更高的开关频率。
开关频率的增加还降低了电感，从而减小了必需电容器的尺寸。高开关频率可缩小组件尺寸并显着降低噪声和振动。
Infineon Technologies、NXP Semiconductors 和 STMicroelectronics 等公司正在使用 WBG 材料来适应电动汽车、光电和其他存在严苛工作条件的应用的新电源设计中所涉及的高功率和频率。WBG 功率半导体超越了硅的性能极限，即使在关键的工作环境中也能保证出色的性能。WBG 器件还提供更低的导通电阻、更高的击穿电压以及更高的短期和长期可靠性。WBG 半导体的击穿电场允许更低的漏电流和更高的工作电压。
氮化镓在三种选择（GaN、SiC 和硅）中具有最高的电子迁移率，使其成为所需频率非常高的应用的最佳材料。就碳化硅而言，其热导率高于硅或 GaN。因此，碳化硅在高温应用中具有效率优势，因为它最大限度地提高了导热能力，从而增加了可实现的功率密度。由于其高熔点和高导热性，碳化硅可以在比硅更高的温度下工作。SiC 是具有高电压和电流值的电源应用的首选材料，而 GaN 仍然是射频领域的主要材料，其中电压不会达到很高的值但击穿电场更高。
碳化硅技术可以在高达 1,700 V 的电压下工作。因此，碳化硅器件几乎完全取代了能源、工业和运输领域的硅绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。与此同时，GaN 半导体可以在高达 600 V 的电压下工作。基于 GaN 的 MOSFET 和肖特基二极管的损耗低于基于硅 IGBT 技术的器件。
图 1：英飞凌利用其系统和制造专业知识以及自己的 SiC 技术生产 CoolSic 产品组合。（图片：英飞凌科技）
英飞凌科技表示，其 CoolSiC 系列可让工程师开发具有最佳系统成本/性能比的全新产品设计。英飞凌正在大批量生产 1,200-V CoolSiC MOSFET 的全面产品组合。这些器件的额定值为 30 mΩ 至 350 mΩ，并采用 TO247-3 和 TO247-4 外壳（图 1）。
STMicroelectronics 表示，其 650V 和 1,700V SiC MOSFET 具有单位面积极低的导通电阻 (RDS(on)) 以及出色的开关性能，可转化为更高效、更紧凑的系统。MOSFET 是 STPOWER 系列的一部分（图 2）。
图 2：STPOWER 产品组合基于宽带隙材料的先进特性。（图片：意法半导体）
恩智浦为蜂窝基础设施以及工业和国防市场提供 GaN-on-SiC 解决方案。随着蜂窝市场转向更高的频率和功率水平，WBG 技术提供最先进的射频性能以简化 5G 部署。恩智浦 GaN 技术还支持国防和工业行业的高频操作（图 3）。
图 3：MMRF5021H 125W CW GaN-on-SiC 晶体管用于宽带射频放大器，面向军事和工业应用。（图片：恩智浦）
随着硅在功率和频率方面达到其应用极限，GaN 和 SiC 技术在电力电子应用中占据主导地位，它们的特性满足紧凑性、轻量化、高效率和高密度功率的要求。技术挑战仍然存在，特别是在降低成本和总散热方面，在半导体的情况下，这源于传导和开关损耗。工程师必须处理 SiC 碳化物部分的一些缺陷，并克服氮化镓制造过程中更关键的问题。
审核编辑 黄昊宇
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