氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的区别你还不知道?不着急我们慢慢讲

几十年来，硅一直是晶体管领域的霸主，但如今，这一格局正在悄然改变。化合物半导体，由两种或三种材料组合而成，正以其独特的优势和卓越的特性逐渐崭露头角。比如，化合物半导体催生了发光二极管(LED)，其中一种是由砷化镓(GaAs)和磷砷化镓(GaAsP)构成，还有些则采用铟和磷。

然而，化合物半导体的制造难度更大、成本更高，这是其发展面临的挑战。不过，与硅相比，它们的优势十分显著。在汽车电气系统和电动汽车(EVs)等对性能要求极高的新兴应用领域，化合物半导体更能满足其严苛的规格要求。

在众多化合物半导体器件中，氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)功率晶体管脱颖而出，成为备受关注的解决方案。它们与长使用寿命的硅功率横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)MOSFET和超级结MOSFET展开竞争。尽管GaN和SiC器件在某些方面存在相似之处，但它们之间也有着显著的差异。本文将对这两种器件进行详细比较，帮助您为下一个设计做出明智的决策。

宽禁带半导体

化合物半导体通常被称为宽禁带(WBG)器件。抛开复杂的晶格结构、能级以及其他令人头疼的半导体物理学知识不谈，简单来说，WBG是一个描述电流(电子)在化合物半导体中流动方式的模型。

WBG化合物半导体具有较高的电子迁移率和较高的带隙能量，这使得它们在性能上优于硅。由WBG化合物半导体制成的晶体管具有更高的击穿电压和对高温的耐受性，在高压和高功率应用中，它们相较于硅展现出明显的优势。

与硅相比，WBG晶体管的开关速度更快，能够在更高的频率下工作。更低的“导通”电阻意味着它们在运行过程中耗散的功率更小，从而提升了能效。这种独特的特性组合，使得这些器件在汽车应用中一些最具挑战性的电路中极具吸引力，尤其是混合动力汽车和电动汽车领域。

目前，GaN和SiC晶体管正变得越来越普及，以应对汽车电气设备面临的各种挑战。GaN和SiC器件的主要优势包括：

高电压能力，提供650 V、900 V和1200 V等多种电压等级的器件。

更快的开关速度，能够实现更高效的功率转换。

更高的工作温度，适应各种严苛的工作环境。

更低的导通电阻，最小化功率耗散，显著提高能效。

GaN晶体管

在射频(RF)功率领域，GaN晶体管率先发现了商机。该材料的特性使得耗尽型场效应晶体管(FET)得以发展。耗尽型(或D型)FET，也被称为假态高电子迁移率晶体管(pHEMT)，是一种天然“导通”的器件。由于没有门极控制输入，存在一个自然的导通通道。门极输入信号可以控制通道的导通，从而实现器件的导通和关断。

然而，在开关应用中，通常更倾向于使用“关断”的增强型(或E型)器件。这促使了E型GaN器件的发展。最初是通过两个FET器件的级联来实现，如今，标准的E型GaN器件已经问世。这些器件能够在高达10兆赫的频率下进行开关操作，功率可达几十千瓦。

GaN器件在无线设备领域得到了广泛应用，作为功率放大器，其工作频率可高达100 GHz。主要的应用场景包括蜂窝基站功率放大器、军用雷达、卫星发射器以及通用射频放大器等。此外，由于GaN器件具备高压(高达1,000 V)、高温和快速开关的特性，它们也被广泛应用于各种开关电源，如DC-DC转换器、逆变器和电池充电器等。

SiC晶体管

SiC晶体管是天然的增强型(E型)MOSFET。这些器件能够在高达1 MHz的频率下进行开关操作，其电压和电流水平远高于传统的硅MOSFET。最大漏源电压可高达约1,800 V，电流能力可达100安培。此外，SiC器件的导通电阻比硅MOSFET低得多，因而在所有开关电源应用(SMPS设计)中，它们的能效更高。

不过，SiC器件的一个关键缺点是它们需要比其他MOSFET更高的门极驱动电压。但随着设计的不断改进，这一缺点已逐渐被克服。SiC器件需要18至20伏的门极电压来驱动，以实现低导通电阻的导通状态。相比之下，标准的硅MOSFET只需要不到10伏的门极电压即可完全导通。此外，SiC器件还需要一个-3至-5 V的门极驱动来切换到关断状态。为了满足这一需求，专用的门极驱动集成电路(IC)已经被开发出来。尽管SiC MOSFET通常比其他替代品更贵，但其在高压、高电流应用中的卓越性能，使其非常适合用于汽车电源电路。

在选择GaN和SiC器件时，需要综合考虑应用需求、成本、性能以及设计复杂性等多方面因素。随着技术的不断进步和市场的逐渐成熟，这两种化合物半导体器件将在未来的电子应用中发挥越来越重要的作用。

来源：氮化镓碳化硅展会PCIMASIA

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