對更高效電子產(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)新的材料屬于寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體家族。WBG 非凡的物理和電氣特性使這些材料自然而然地滿足高頻電源應(yīng)用的性能要求，包括功率和工作溫度極限，以及在緊湊外形中對更快、高效、低損耗開關(guān)的不斷增長的要求。

最新的 WBG 設(shè)備市場分析預(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 億美元增加到 2025 年的 37 億美元。

WBG 特性和對電力電子

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核相連，要么在更高的能級（分別為價帶和導(dǎo)帶）上自由移動。價帶和導(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 (eV)；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(yīng)增加，一旦達(dá)到特定的閾值溫度，就會進(jìn)入導(dǎo)帶。在硅的情況下，從價帶躍遷到導(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(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關(guān)。

開關(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。高開關(guān)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(yīng)電動汽車、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。

Gallium nitride has the highest electron mobility among the three options (GaN, SiC, and silicon), making it the optimal material for applications in which the required frequencies are very high. Silicon carbide, for its part, has higher thermal conductivity than either silicon or GaN. SiC, therefore, has the edge in efficiency in high-temperature applications because it maximizes the ability to conduct heat and thereby increases the achievable power density. Because of its high melting point and high thermal conductivity, SiC can operate at higher temperatures than silicon. SiC is preferred in power applications with high voltage and current values, whereas GaN remains the leading material for radio-frequency fields in which the voltages do not reach very high values but the breakdown electric fields are higher.

SiC technology can operate at voltages up to 1,700 V. As a result, SiC devices have almost completely displaced silicon insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) in the energy, industrial, and transport sectors. GaN semiconductors, meanwhile, can operate at up to 600 V. GaN-based MOSFETs and Schottky diodes have lower losses than devices based on silicon IGBT technology.

Figure 1: Infineon leveraged its system and manufacturing expertise and its own SiC technology to produce the CoolSic portfolio. (Image: Infineon Technologies)

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)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（圖 1）。

STMicroelectronics 表示，其 650 和 1,700 V SiC MOSFET 具有極低的每面積導(dǎo)通電阻 (R _DS(on) ) 以及出色的開關(guān)性能，從而轉(zhuǎn)化為更高效、更緊湊的系統(tǒng)。MOSFET 是 STPOWER 系列的一部分。

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)的射頻性能來簡化 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。

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，它們的特性適合對緊湊、輕量、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，就半導(dǎo)體而言，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：劉清