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什么是宽禁带半导体?

关键词:宽禁带半导体 SiC GaN

时间:2023-05-04 16:20:00      来源:矽力杰半导体微信公众号

禁带宽度和电场强度越高,器件越不容易被击穿,耐压可以更高;热导率和熔点越高,器件越容易散热,也更容易耐高温;电子迁移率越高,器件的开关速度也就越快,因此可以做高频器件。不难看出,SiC和GaN器件在高温、高压、高频应用领域的显著优势。

半导体迄今为止共经历了三个发展阶段:第一代半导体以硅(Si)、锗(Ge)为代表;第二代半导体以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等化合物为代表;第三代半导体是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为主的宽禁带半导体材料,具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点。

什么是宽禁带?

物质的导电需要有自由电子或者空穴存在,自由电子存在的能带称作导带,自用空穴存在的能带称作价带。被束缚的电子要想成为自由电子或空穴,必须获得足够能量从价带跃迁到导带,这个能量的最小值就是禁带宽度。

禁带宽度又称能隙(Energy Gap):导带的最低能级和价带的最高能级之间的能量。单位:eV(电子伏特)。宽禁带半导体是指禁带宽度大于2.2eV的半导体材料,而当前主流的半导体材料硅的禁带宽度大约是1.12eV。

下图分别从电场强度、能隙(即带宽)、电子迁移率、热导率和熔点5个方面对比了最常见的Si, SiC, GaN这三种半导体材料的属性。

禁带宽度和电场强度越高,器件越不容易被击穿,耐压可以更高;热导率和熔点越高,器件越容易散热,也更容易耐高温;电子迁移率越高,器件的开关速度也就越快,因此可以做高频器件。不难看出,SiC和GaN器件在高温、高压、高频应用领域的显著优势。

SiC与GaN的特性及应用

GaN的特性及应用

GaN的带隙为3.4eV,是Si的3倍多。宽禁带特性使GaN器件可以在与Si器件相同的电阻下,表现出更高的耐压。同时,得益于GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的独特结构,GaN HEMT非常适用于高速开关电源的应用。(GaN HEMT是一种基于二维电子气导电的横向器件,具有高电子迁移率,结电容小等特点)


*GaN HEMT图示

对于射频器件而言,GaN的高电子迁移率和电子饱和速度允许更高的工作频率,成为极高频率的最佳设备材料。作为5G的核心材料,氮化镓在射频器件领域的占比将越来越多。

SiC的特性及应用

SiC具有比GaN和Si更高的热导率,因此SiC器件可以在极高的功率密度下操作。同时,SiC也拥有宽带隙和高临界电场,这些特性使得SiC器件非常适用于高压,高功率密度的应用。

另外,GaN和SiC有不同的最佳电压等级。GaN器件的耐压一般不超过650V,这个电压范围涵盖云计算和电信基础设施应用。相比之下,SiC器件设计用于650V和更高电压。SiC 器件可提供高达 1200V 的电压等级,并具备高载流能力,因此非常适合汽车和机车牵引逆变器、高功率太阳能发电场和大型三相电网转换器等应用。

相信无论是GaN亦或是SiC,随着半导体从业人员的不懈努力,技术更新和复兴势不可挡地向前发展,未来将避免数十亿吨温室气体排放,地球环境将得到有效改善。

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