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）這兩個耳熟能詳?shù)拿郑舱撬麄儍?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70000000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，以及面向零售市場的第三方配件商，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。

問：什么是碳化硅（SiC）？

答：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，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。

問：為什么碳化硅（SiC）如此重要？

答：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)用場景中，作為功率轉(zhuǎn)換平臺的硅已經(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。

問：碳化硅（SiC）的使用場景在哪里？

答：碳化硅（SiC）半導(dǎo)體被部署在各種各樣的使用場景中，這些場景要求在小尺寸、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，使得這些電路元件可以在極端溫度和高輻射環(huán)境下工作。GeneSiC部件的低導(dǎo)通電阻和低開關(guān)損耗確保了更高的能量轉(zhuǎn)換效率，同時提供了各種功能，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。

問：碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）相比如何？

答：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，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)的場景。

顯然，對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。

這四個問題看完，大家是否對碳化硅有了些許興趣？接下來的兩期文章，納微將帶大家進(jìn)一步挖掘碳化硅和氮化鎵的市場發(fā)展?jié)摿Γ瑲g迎關(guān)注納微公眾號——納微芯球，了解學(xué)習(xí)納微半導(dǎo)體最新、領(lǐng)先的GeneSiC? 場效應(yīng)管和二極管的方案，敬請期待哦！