追求更高效的電子產品以功率器件為中心，而半導體材料則處于研發活動的前沿。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更高效率的替代品：碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。

這些高度創新的材料屬于寬帶隙 (WBG) 半導體系列。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現更快、高效、低損耗開關的激增要求。

WBG 設備的最新市場分析預測估計，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建的功率半導體的功能和應用特性。從物理角度來看，所有固態元素都有電子，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建寬帶隙半導體的基本物理參數。WBG 材料的巨大帶隙轉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，WBG 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，可持續的半導體工作溫度就越高。

與硅相比，SiC 和 GaN 的電子遷移率更高，使使用這些 WBG 材料構建的設備能夠以更高的開關速度運行。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，而且使系統更小，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 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頻率。

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

Infineon Technologies、NXP Semiconductors 和 STMicroelectronics 等公司正在使用 WBG 材料來適應電動汽車、光電和其他存在嚴苛工作條件的應用的新電源設計中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，即使在關鍵的工作環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。就碳化硅而言，其熱導率高于硅或 GaN。因此，碳化硅在高溫應用中具有效率優勢，因為它最大限度地提高了導熱能力，從而增加了可實現的功率密度。由于其高熔點和高導熱性，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用的首選材料，而 GaN 仍然是射頻領域的主要材料，其中電壓不會達到很高的值但擊穿電場更高。

碳化硅技術可以在高達 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、工業和運輸領域的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 技術的器件。

圖 1：英飛凌利用其系統和制造專業知識以及自己的 SiC 技術生產 CoolSic 產品組合。（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具有最佳系統成本/性能比的全新產品設計。英飛凌正在大批量生產 1,200-V CoolSiC MOSFET 的全面產品組合。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通電阻 (RDS(on)) 以及出色的開關性能，可轉化為更高效、更緊湊的系統。MOSFET 是 STPOWER 系列的一部分（圖 2）。

圖 2：STPOWER 產品組合基于寬帶隙材料的先進特性。（圖片：意法半導體）

恩智浦為蜂窩基礎設施以及工業和國防市場提供 GaN-on-SiC 解決方案。隨著蜂窩市場轉向更高的頻率和功率水平，WBG 技術提供最先進的射頻性能以簡化 5G 部署。恩智浦 GaN 技術還支持國防和工業行業的高頻操作（圖 3）。

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

隨著硅在功率和頻率方面達到其應用極限，GaN 和 SiC 技術在電力電子應用中占據主導地位，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。技術挑戰仍然存在，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。

審核編輯 黃昊宇