為什么比 Si 好？

——半導(dǎo)體發(fā)展史

硅作為第一代「半導(dǎo)體材料」的典型代表，其技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展到如今已經(jīng)是爐火純青，甚至于，目前全球 95% 以上的半導(dǎo)體芯片和器件都是用硅片作為基礎(chǔ)功能材料而生產(chǎn)出來。

但我們需要知道，任何材料其性能和效率都存在一個(gè)理論極限，隨著硅材料技術(shù)的日臻佳境的發(fā)展，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的諸多限制也開始體現(xiàn)出來。

也就是說，硅的性能已經(jīng)開始跟不上各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求了。根本原因就在于硅本身的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低。

當(dāng)材料技術(shù)的發(fā)展遭遇瓶頸，那么我們必將尋求新的代替者，獲得更加優(yōu)秀的解決方案。在這條關(guān)于更高性能的探索路上就開始了——

半導(dǎo)體材料的發(fā)展史

第一代：元素半導(dǎo)體

典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。其中以硅基半導(dǎo)體技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣，一般用硅基半導(dǎo)體來代替元素半導(dǎo)體的名稱。

以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料，它取代了笨重的電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè) IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應(yīng)用于信息處理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。

第二代：化合物半導(dǎo)體

20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵( GaAs )、磷化銦( InP )為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。

GaAs、InP 等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信、GPS 導(dǎo)航等領(lǐng)域。

但是 GaAs、InP 材料資源稀缺，價(jià)格昂貴，并且還有毒性，污染環(huán)境，這些缺點(diǎn)使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有很大的局限性。

第三代：寬禁帶半導(dǎo)體

第三代半導(dǎo)體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

它們的禁帶寬度在 2.3eV 以上，其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化鎵為代表。

與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì)，翻譯下來就是：

高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)。

憑借極優(yōu)越的性能和巨大的市場(chǎng)前景，第三代半導(dǎo)體材料正在成為全球半導(dǎo)體市場(chǎng)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。

寬禁帶材料「雙子星」

——不得不說的 SiC

目前來看，SiC 和 GaN 的技術(shù)研究進(jìn)展較快，并且已經(jīng)開始有了廣泛應(yīng)用。SiC 與 GaN 相比較，前者相對(duì) GaN 發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些。

SiC 禁帶寬度為 3.23ev，GaN 禁帶寬度為 3.4ev。

SiC 器件相對(duì)于 Si 器件的優(yōu)勢(shì)主要來自三個(gè)方面：

• 降低電能轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗
• 更容易實(shí)現(xiàn)小型化
• 更耐高溫高壓

據(jù)了解，SiC 功率器件的能量損耗只有 Si 器件的 50%，發(fā)熱量只有 Si 器件的 50%，且有更高的電流密度。

在相同功率等級(jí)下，SiC 功率模塊的體積顯著小于 Si 功率模塊。

聽上去是不是和 GaN 很像？

沒錯(cuò)，這是兩者材料特性決定的，在很多性能上 SiC 和 GaN 具有十分相似的表現(xiàn)。

那么問題來了——

為什么我們的充電器用的都是 GaN 而不是 SiC 呢？

兩者有一個(gè)很大的區(qū)別是熱導(dǎo)率。

這使得在高功率高溫等極限場(chǎng)景應(yīng)用中，SiC 占據(jù)統(tǒng)治地位；而 GaN 具有更高的電子遷移率，因而能夠比 SiC 或 Si 具有更高的開關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN 具備優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)單來說就是，SiC 如果用在我們?nèi)粘５?a target="_blank">手機(jī)充電器上，其實(shí)有點(diǎn)大材小用，這其中也牽扯到成本的問題，綜合下來其實(shí) GaN 更為合適。

那么 SiC 的主要應(yīng)用場(chǎng)景是？

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定，這使得它可以被用在非常極端的環(huán)境條件下。

針對(duì)于 SiC，微波及高頻和短波長(zhǎng)器件是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場(chǎng)。

在電力電子領(lǐng)域，SiC 應(yīng)用市場(chǎng)最大的驅(qū)動(dòng)力，可能來自于新能源汽車。

事實(shí)上 SiC 已經(jīng)被應(yīng)用的典型市場(chǎng)包括：軌交、功率因數(shù)校正電源（PFC）、風(fēng)電（wind）、光伏（PV）、新能源汽車（EV/HEV）、充電樁、不間斷電源（UPS）等。

SiC 器件如何提升電動(dòng)汽車的系統(tǒng)效率

新能源車的功率控制單元（PCU）是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向、傳遞速度。

傳統(tǒng) PCU 使用硅基材料半導(dǎo)體制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車最主要的電能損耗來源。

而使用 SiC 則大大降低了這一過程中能量損失，同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸，車身可以設(shè)計(jì)得更為緊湊。

所以 SiC 和 GaN 在很多關(guān)鍵特性上看上去像是「兩兄弟」，但其實(shí)目前它們正在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域發(fā)著不同的光。

GaN 有著更強(qiáng)的成本控制，SiC 則能夠勝任更極限的環(huán)境條件。