关于宽禁带半导体
如何定义宽禁带半导体？
物理学家将材料的禁带定义为价带的最高占有态（电子在施加能量时从中跃迁的电子轨道带）和导带的最低非占有态之间的能量差（这些电子可以跃迁到的带）。禁带决定了电子从价带移动到导带所需的能量。
自20世纪50年代以来，传统硅（Si）一直是半导体的主要材料，其带隙为1.1eV。最新的宽禁带（WBG）半导体是基于新型和新兴材料的半导体，其禁带通常为硅的2到3倍。
宽禁带半导体的优势有哪些？
多年来，硅一直占据主导地位，但在越来越多的现有和新兴应用中，硅的性能已达到极限。因为宽禁带半导体可以承受更高的电场，所以它们可以维持更高的电压。它们还可以在更高的开关频率下工作。宽禁带半导体不仅带来了优化后的性能，还最小化了滤波要求，从而能够使用更小的外部组件（更快的开关意味着能量每次以更小的单位进行传输，因此，电路的无源和感应设备中需要存储的能量更少）。
与传统硅相比，这些因素转化为许多好处，包括更小的体积、更快的速度、更高效和更可靠的运行能力。更高的电压能力为更高的功率设计创造了机会，同时显著提高的效率能在更小的尺寸外形下实现相同的性能，或者在相同的尺寸外形中下提高性能（均与传统硅相比）。效率还对重量，与终端应用中所产生的碳排放带来巨大的影响。
许多基于宽禁带技术的设备还可以在比采用传统硅的情况下，在更高的最高温度下运行。
什么样的宽禁带材料被应用于半导体中？
包括氮化硼、二氧化硅甚至金刚石在内的许多材料都被定义为宽禁带材料。
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）是当今使用最普遍的宽禁带技术。
然而，目前最流行的宽禁带半导体是基于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。这些材料的禁带大约是硅的三倍，分别达到了3.2eV和3.4eV。
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）有什么不同
与禁带为1.12eV（电子伏特）的硅相比，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）作为化合物半导体，他们的禁带是硅禁带的3倍，分别为3.39eV和3.26eV。这意味着他们都可以支持更高的电压和更高的频率，尽管这两种技术之间存在许多差异，影响它们的工作方式和使用领域。
硅、氮化镓和碳化硅的应用设计参数
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）之间的一个区别是电子迁移率方面的速度——电子在半导体材料中迁移的速度。在2000cm²/Vs时，氮化镓的电子迁移率比Si快30%，而碳化硅的电子迁移度为650cm²/Vs。这些差异在决定每种技术为目标应用程序发挥了不同的作用。
氮化镓（GaN）更高的电子迁移率使其更适合于高性能、高频的应用，由于栅电极实际消耗的芯片比例非常非常小，这一点得到了进一步支持。这确保了在非常低的电容下，很容易实现更高的频率（这就是为什么氮化镓半导体广泛用于在千兆赫兹范围内切换的RF器件）。
另一方面，碳化硅（SiC）具有较高的热导率和较低的频率操作，更适合于更高功率的应用，包括电动汽车和数据中心、一些太阳能设计、铁路牵引、风力涡轮机、网格分布与工业和医疗成像，这些需要很高的电压下运行，并拥有优良的散热性能，但不总是需要进行高频开关的场景。
显然，对于功率处理和快速充电，氮化镓和碳化硅都是优于传统硅的材料。650V额定电压的氮化镓提供了更快的开关、集成和更低的成本，并针对高达20kW的应用进行了优化。碳化硅具有更高的电压和温度特性，使其成为1000V以上器件和20MW以下应用的更优选择。
宽禁带半导体的应用
氮化镓（GaN）+ 碳化硅（SiC）：功率半导体的未来
宽禁带半导体的市场潜力如何？
宽禁带半导体的市场潜力已经非常巨大，并且正在快速增长，由于目前许多公司希望在现有应用中，将传统硅进行替换，并在硅无法竞争的新兴设计中，采用氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的力量。纳微半导体预测：到2026年，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率技术的综合市场机会将超过每年200亿美元。
氮化镓（GaN）+ 碳化硅（SiC）的市场机会 = 200亿美元
