一文解析宽禁带(WBG)半导体SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)_宽禁带半导体展PCIM

随着现代工业对更高功率、更高频率、更小体积应用需求的不断攀升，单纯依靠改变器件结构已无法突破半导体材料自身性能的瓶颈。此时，第三代半导体材料——宽禁带(WBG)半导体崭露头角，它能够突破传统硅半导体材料的极限，进而研发出性能更为卓越的半导体功率器件。

（宽禁带半导体）

一、宽禁带半导体

固体的能带结构主要由导带、价带和禁带三部分构成。原子最外层的电子被称作价电子，价电子所占据的能带即为价带;而比价带能量更高的允许带则是导带;介于价带和导带之间的，电子无法占据的区域，便是禁带。

若材料想要实现导电，就需要价带中的电子跃迁至导带，形成能够自由移动的电子，而电子需要跃迁的距离正是禁带宽度。物体导电的前提是导带中存在可移动的自由电子。因此，禁带宽度越窄，电子越容易跃迁，导电性就越强;反之，禁带宽度越宽，电子跃迁所需能量越高，导电就越困难。

导体的价带顶部与导带底部紧密相连，其禁带宽度为 0。这意味着导体无需外部能量，价带中的电子就能移动到导带中实现导电。绝缘体的价带与导带距离最远，电子几乎无法获得足够能量发生跃迁。半导体的禁带宽度则介于导体和绝缘体之间。宽禁带半导体是指禁带宽度大于传统半导体的材料，例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。若禁带宽度更宽，则被称为超宽禁带半导体，像氮化铝镓(AlGaN)、氧化镓(Ga₂O₃)等便属于此类。

二、宽禁带半导体的优势

宽禁带半导体为高功率、高频率和高温应用提供了理想的解决方案，显著提升了能效与设计灵活性。

(1)其导通电阻仅为硅器件的近 1/1000(在相同电压 / 电流等级下)，这能大幅降低器件的导通损耗;

(2)开关频率是硅器件的 10 余倍，可显著减小电路中储能元件的体积，进而成倍减小设备体积，减少贵重金属等材料的消耗;

(3)理论上可在 600℃以上的高温环境下工作，且具备抗辐射优势，能大幅提升系统可靠性，在能源转换领域极具技术优势和应用价值。

通过对比不难发现，宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)相较于传统半导体材料硅(Si)，拥有更高的临界电场强度、更高的热导率和更大的饱和电子漂移速率，材料性能全面碾压传统半导体材料硅(Si)。这些优异性能使得利用宽禁带半导体材料制作的半导体功率器件更能满足现代工业对于高功率、高电压、高频率、小体积的需求。

三、SiC 器件的应用

SiC 功率器件在电力转换频繁、对电力转换组件有体积或质量要求、相对高温的使用环境下优势明显。

在新能源汽车领域，采用 SiC 功率器件可显著提升电池能量利用率，同时减少电力转化模块体积和质量、节省散热组件，实现整车轻量化。如此一来，在相同电池容量下，新能源汽车可获得更高续航里程。此外，在高频次使用的直流充电桩上，SiC 功率器件能降低电能损耗、节省充电桩体积、提高充电速率、延长设备使用寿命，是理想的器件选择。

在绿色能源领域，光伏发电并网需将直流电逆变成交流电，这一过程离不开功率器件。使用 SiC 功率器件可直接提升电能转化效率，增加并网发电收入。风力发电的电能转换需经整流、逆变两步，SiC 功率器件能更好地提升风能利用效率。且 SiC 功率器件耐受极端环境，十分契合光伏、风力发电领域。

在轨道交通领域，众多公司和科研院所聚焦 SiC 器件在牵引变流器系统中的应用研究，部分机构的产品已市场化并安装于轨道列车。与传统系统相比，铁路车辆系统总能耗降低约 30%。与传统 IGBT 功率模块逆变器系统相比，尺寸和质量减小约 65%;与现有混合 SiC 二极管逆变器系统相比减小约 30%。

在大型服务器、数据中心，SiC 功率器件凭借高效率、耐高温、长寿命特性，在 IT 应用中可节省大量能耗、降低替换维护成本。

此外，在家电、军工、航空航天、工业控制、智能电网等诸多领域，SiC 功率器件也已初步应用或处于研发跟进阶段，市场对高性能 SiC 功率器件的需求持续增长。

四、GaN器件的应用

GaN材料应用广泛，涵盖LED照明、电力电子设备、射频通信等领域。在5G通信和雷达系统中，GaN基射频器件是关键组件。在电力电子设备中，GaN材料可显著减少体积和重量，解决高功率密度与小型化设计的矛盾，是轻薄型笔记本电脑和快速充电手机等消费电子产品的首选材料。

在探测器领域，GaN探测器研究处于起步阶段，未来在导弹预警、卫星通信、环境监测、化学生物探测等领域有重要应用，目前已研制出GaN紫外探测器。

在激光器方面，GaN基激光器可制造蓝、绿和紫外激光器。紫色激光器可用于大容量光盘制造、医疗消毒、荧光激励光源等;蓝色激光器与红色激光器、倍频全固化绿色激光器结合，可实现全真彩显示，推动激光电视广泛应用。

第三代宽禁带功率半导体器件已应用于智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机和家用电器等领域，展现出良好发展前景。国际领先企业已开始市场布局，全球正逐渐进入第三代半导体时代。

来源：宽禁带半导体展PCIM

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