什么是寬禁帶半導體？

半導體迄今為止共經歷了三個發展階段：第一代半導體以硅（Si）、鍺（Ge）為代表；第二代半導體以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物為代表；第三代半導體是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為主的寬禁帶半導體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率、可承受大功率等特點。

什么是寬禁帶？

物質的導電需要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱作導帶，自用空穴存在的能帶稱作價帶。被束縛的電子要想成為自由電子或空穴，必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。

禁帶寬度又稱能隙（Energy Gap):導帶的最低能級和價帶的最高能級之間的能量。單位:eV(電子伏特)。寬禁帶半導體是指禁帶寬度大于2.2eV的半導體材料，而當前主流的半導體材料硅的禁帶寬度大約是1.12eV。

下圖分別從電場強度、能隙(即帶寬）、電子遷移率、熱導率和熔點5個方面對比了最常見的Si, SiC, GaN這三種半導體材料的屬性。

禁帶寬度和電場強度越高，器件越不容易被擊穿，耐壓可以更高；熱導率和熔點越高，器件越容易散熱，也更容易耐高溫；電子遷移率越高，器件的開關速度也就越快，因此可以做高頻器件。不難看出，SiC和GaN器件在高溫、高壓、高頻應用領域的顯著優勢。

SiC與GaN的特性及應用

GaN的特性及應用

GaN的帶隙為3.4eV，是Si的3倍多。寬禁帶特性使GaN器件可以在與Si器件相同的電阻下，表現出更高的耐壓。同時，得益于GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）的獨特結構，GaN HEMT非常適用于高速開關電源的應用。（GaN HEMT是一種基于二維電子氣導電的橫向器件，具有高電子遷移率，結電容小等特點）

GaN HEMT圖示

對于射頻器件而言，GaN的高電子遷移率和電子飽和速度允許更高的工作頻率，成為極高頻率的最佳設備材料。作為5G的核心材料，氮化鎵在射頻器件領域的占比將越來越多。

SiC的特性及應用

SiC具有比GaN和Si更高的熱導率，因此SiC器件可以在極高的功率密度下操作。同時，SiC也擁有寬帶隙和高臨界電場，這些特性使得SiC器件非常適用于高壓，高功率密度的應用。

另外，GaN和SiC有不同的最佳電壓等級。GaN器件的耐壓一般不超過650V，這個電壓范圍涵蓋云計算和電信基礎設施應用。相比之下，SiC器件設計用于650V和更高電壓。SiC 器件可提供高達 1200V 的電壓等級，并具備高載流能力，因此非常適合汽車和機車牽引逆變器、高功率太陽能發電場和大型三相電網轉換器等應用。

相信無論是GaN亦或是SiC,隨著半導體從業人員的不懈努力，技術更新和復興勢不可擋地向前發展，未來將避免數十億噸溫室氣體排放，地球環境將得到有效改善。

審核編輯：湯梓紅