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