為什么比 Si 好？

——半導(dǎo)體發(fā)展史

硅作為第一代「半導(dǎo)體材料」的典型代表，其技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展到如今已經(jīng)是爐火純青，甚至于，目前全球 95% 以上的半導(dǎo)體芯片和器件都是用硅片作為基礎(chǔ)功能材料而生產(chǎn)出來。

但我們需要知道，任何材料其性能和效率都存在一個理論極限，隨著硅材料技術(shù)的日臻佳境的發(fā)展，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的諸多限制也開始體現(xiàn)出來。

也就是說，硅的性能已經(jīng)開始跟不上各種應(yīng)用場景的需求了。根本原因就在于硅本身的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低。

當(dāng)材料技術(shù)的發(fā)展遭遇瓶頸，那么我們必將尋求新的代替者，獲得更加優(yōu)秀的解決方案。在這條關(guān)于更高性能的探索路上就開始了——

半導(dǎo)體材料的發(fā)展史

第一代：元素半導(dǎo)體

典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。其中以硅基半導(dǎo)體技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣，一般用硅基半導(dǎo)體來代替元素半導(dǎo)體的名稱。

以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料，它取代了笨重的電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個 IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應(yīng)用于信息處理和自動控制等領(lǐng)域。

第二代：化合物半導(dǎo)體

20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵( GaAs )、磷化銦( InP )為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。

GaAs、InP 等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、GPS 導(dǎo)航等領(lǐng)域。

但是 GaAs、InP 材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，污染環(huán)境，這些缺點使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有很大的局限性。

第三代：寬禁帶半導(dǎo)體

第三代半導(dǎo)體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

它們的禁帶寬度在 2.3eV 以上，其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化鎵為代表。

與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì)，翻譯下來就是：

高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)。

憑借極優(yōu)越的性能和巨大的市場前景，第三代半導(dǎo)體材料正在成為全球半導(dǎo)體市場爭奪的焦點。

寬禁帶材料「雙子星」

——不得不說的 SiC

目前來看，SiC 和 GaN 的技術(shù)研究進(jìn)展較快，并且已經(jīng)開始有了廣泛應(yīng)用。SiC 與 GaN 相比較，前者相對 GaN 發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些。

SiC 禁帶寬度為 3.23ev，GaN 禁帶寬度為 3.4ev。

SiC 器件相對于 Si 器件的優(yōu)勢主要來自三個方面：

• 降低電能轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗
• 更容易實現(xiàn)小型化
• 更耐高溫高壓

據(jù)了解，SiC 功率器件的能量損耗只有 Si 器件的 50%，發(fā)熱量只有 Si 器件的 50%，且有更高的電流密度。

在相同功率等級下，SiC 功率模塊的體積顯著小于 Si 功率模塊。

聽上去是不是和 GaN 很像？

沒錯，這是兩者材料特性決定的，在很多性能上 SiC 和 GaN 具有十分相似的表現(xiàn)。

那么問題來了——

為什么我們的充電器用的都是 GaN 而不是 SiC 呢？

兩者有一個很大的區(qū)別是熱導(dǎo)率。

這使得在高功率高溫等極限場景應(yīng)用中，SiC 占據(jù)統(tǒng)治地位；而 GaN 具有更高的電子遷移率，因而能夠比 SiC 或 Si 具有更高的開關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN 具備優(yōu)勢。

簡單來說就是，SiC 如果用在我們?nèi)粘５?a href="http://www.xsypw.cn/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)充電器上，其實有點大材小用，這其中也牽扯到成本的問題，綜合下來其實 GaN 更為合適。

那么 SiC 的主要應(yīng)用場景是？

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定，這使得它可以被用在非常極端的環(huán)境條件下。

針對于 SiC，微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場。

在電力電子領(lǐng)域，SiC 應(yīng)用市場最大的驅(qū)動力，可能來自于新能源汽車。

事實上 SiC 已經(jīng)被應(yīng)用的典型市場包括：軌交、功率因數(shù)校正電源（PFC）、風(fēng)電（wind）、光伏（PV）、新能源汽車（EV/HEV）、充電樁、不間斷電源（UPS）等。

SiC 器件如何提升電動汽車的系統(tǒng)效率

新能源車的功率控制單元（PCU）是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向、傳遞速度。

傳統(tǒng) PCU 使用硅基材料半導(dǎo)體制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時的電能損耗是混合動力車最主要的電能損耗來源。

而使用 SiC 則大大降低了這一過程中能量損失，同時也可以大幅降低器件尺寸，車身可以設(shè)計得更為緊湊。

所以 SiC 和 GaN 在很多關(guān)鍵特性上看上去像是「兩兄弟」，但其實目前它們正在各自擅長的領(lǐng)域發(fā)著不同的光。

GaN 有著更強(qiáng)的成本控制，SiC 則能夠勝任更極限的環(huán)境條件。