從夜晚睡前插上的手機(jī)充電器，再到早上出行搭乘的電動(dòng)汽車，我們的日常生活，處處都有第三代半導(dǎo)體的影子。今天我們談到第三代半導(dǎo)體，大家很快就能說出氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）這兩個(gè)耳熟能詳?shù)拿?，也正是他們?yōu)異的物理性能，讓兩者迅速成為了電力電子器件的中流砥柱。

納微半導(dǎo)體作為全球氮化鎵行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，成功發(fā)貨70,000,000顆，并成功打入全球頭部消費(fèi)電子品牌全球行業(yè)排名前十的手機(jī)和筆電生產(chǎn)廠商供應(yīng)鏈及面向零售市場(chǎng)的第三方配件商，已經(jīng)讓氮化鎵走入千家萬戶，讓GaNFast的速度惠及無數(shù)消費(fèi)者。

不過今天，我們不聊氮化鎵，今天的納微小課堂我們用四個(gè)問題向大家展示另一位第三代半導(dǎo)體的強(qiáng)力選手——碳化硅。

Q：什么是碳化硅（SiC）？

A：碳化硅（SiC）由硅（原子序數(shù)14）和碳（原子序數(shù)6），形成類似于金剛石的強(qiáng)共價(jià)鍵，是一種堅(jiān)固的六方結(jié)構(gòu)化合物，具有寬禁帶半導(dǎo)體特性。帶隙是將電子從圍繞原子核的軌道上釋放所需的能量，在3.26 eV時(shí)，碳化硅的禁帶能隙幾乎是硅的三倍，因此被稱為“寬”禁帶或WBG。

碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)

（圖片來源：researchgate.net）

由于禁帶能隙決定了材料可以承受的電場(chǎng)及其能正常運(yùn)行的速度，碳化硅更寬的禁帶能隙使得能夠開發(fā)出比傳統(tǒng)硅在更高頻率和更高電壓下運(yùn)行的半導(dǎo)體。此外，碳化硅的化學(xué)性質(zhì)使其具有比硅更好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，使其成為一種在高壓和高溫應(yīng)用中提供一致、可靠性能的理想半導(dǎo)體材料。

Q：為什么碳化硅（SiC）如此重要？

A：寬禁帶半導(dǎo)體，如碳化硅（SiC）由于其能夠在廣泛的應(yīng)用中提供顯著改善的性能，同時(shí)與傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，降低了提供相同性能所需的能量和物理空間，因此其重要性日益增加。

為什么選擇碳化硅功率器件？

在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，作為功率轉(zhuǎn)換平臺(tái)的硅已經(jīng)達(dá)到其物理極限，因此碳化硅技術(shù)正變得至關(guān)重要，而在其他應(yīng)用中，碳化硅把效率、開關(guān)速度、尺寸、重量和更冷、高溫、高壓運(yùn)行等多種優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使其越來越具有吸引力。

Q：碳化硅（SiC）的使用場(chǎng)景在哪里？

A：碳化硅（SiC）半導(dǎo)體被部署在各種各樣的使用場(chǎng)景中，這些場(chǎng)景要求在小尺寸、高功率密度的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的高電壓、高性能，同時(shí)還需要能不受溫度影響，穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

這些包括AC-DC整流器和功率因數(shù)校正（PFC）電路、電池充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、DC-AC逆變器和變頻器，應(yīng)用范圍從電動(dòng)汽車（EV）和牽引控制到數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，以及需要1000–1500 VDC操作的太陽能逆變器。

納微半導(dǎo)體的GeneSiC系列產(chǎn)品還支持600-3300 V功率晶體管和整流器產(chǎn)品，用于要求耗電控制、通信、計(jì)算、推進(jìn)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的航空航天和石油鉆井應(yīng)用。

GeneSiC的系列產(chǎn)品中器件的溫度魯棒性和抗輻射性能使得這些電路元件在極端溫度和高輻射環(huán)境下工作。GeneSiC部件的低導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)損耗確保了更高的能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)提供了各種功能，如過載/短路保護(hù)、過壓保護(hù)、同步、過熱保護(hù)和并聯(lián)運(yùn)行能力，以及帶來了低諧波失真、噪聲和EMI發(fā)射。

Q：碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）相比如何？

A：這是大家都非常關(guān)注的問題，先說結(jié)論：各有千秋，相輔相成。

與禁帶為1.12eV（電子伏特）的硅相比，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）作為化合物半導(dǎo)體，他們的禁帶是硅禁帶的3倍，分別為3.39eV和3.26eV。這意味著他們都可以支持更高的電壓和更高的頻率，盡管這兩種技術(shù)之間存在許多差異，影響它們的工作方式和使用領(lǐng)域。

硅、氮化鎵和碳化硅的應(yīng)用設(shè)計(jì)參數(shù)

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）之間的一個(gè)區(qū)別是電子遷移率方面的速度——電子在半導(dǎo)體材料中遷移的速度。在2000cm2/Vs時(shí)，氮化鎵的電子遷移率比Si快30%，而碳化硅的電子遷移度為650cm2/Vs。這些差異在決定每種技術(shù)為目標(biāo)應(yīng)用程序發(fā)揮了不同的作用。

氮化鎵（GaN）更高的電子遷移率使其更適合于高性能、高頻的應(yīng)用，在相同應(yīng)用場(chǎng)合下，尤其是因?yàn)榈壵紦?jù)的芯片面積比較小，故芯片等效的輸入輸出的電容比較低，容易實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率（這就是為什么氮化鎵半導(dǎo)體廣泛用于在千兆赫茲范圍內(nèi)切換的RF器件）。

另一方面，碳化硅（SiC）具有較高的熱導(dǎo)率和較低的頻率操作，更適合于更高功率的應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車和數(shù)據(jù)中心、一些太陽能設(shè)計(jì)、鐵路牽引、風(fēng)力渦輪機(jī)、網(wǎng)格分布與工業(yè)和醫(yī)療成像，這些需要很高的電壓下運(yùn)行，并擁有優(yōu)良的散熱性能，但不總是需要進(jìn)行高頻開關(guān)的場(chǎng)景。

顯然，對(duì)于功率處理和快速充電，氮化鎵和碳化硅都是優(yōu)于傳統(tǒng)硅的材料。650V額定電壓的氮化鎵提供了更快的開關(guān)、集成和更低的成本，并針對(duì)高達(dá)20kW的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。碳化硅具有更高的電壓和溫度特性，使其成為1000V以上器件和20MW以下應(yīng)用的更優(yōu)選擇。

編輯：黃飛

?