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什么是寬禁帶半導(dǎo)體?

發(fā)布時(shí)間:2023-05-05 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】禁帶寬度和電場(chǎng)強(qiáng)度越高,器件越不容易被擊穿,耐壓可以更高;熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)越高,器件越容易散熱,也更容易耐高溫;電子遷移率越高,器件的開(kāi)關(guān)速度也就越快,因此可以做高頻器件。不難看出,SiC和GaN器件在高溫、高壓、高頻應(yīng)用領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)。


半導(dǎo)體迄今為止共經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:第一代半導(dǎo)體以硅(Si)、鍺(Ge)為代表;第二代半導(dǎo)體以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等化合物為代表;第三代半導(dǎo)體是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為主的寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率、可承受大功率等特點(diǎn)。


什么是寬禁帶半導(dǎo)體?


什么是寬禁帶?

物質(zhì)的導(dǎo)電需要有自由電子或者空穴存在,自由電子存在的能帶稱作導(dǎo)帶,自用空穴存在的能帶稱作價(jià)帶。被束縛的電子要想成為自由電子或空穴,必須獲得足夠能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。


什么是寬禁帶半導(dǎo)體?


禁帶寬度又稱能隙(Energy Gap):導(dǎo)帶的最低能級(jí)和價(jià)帶的最高能級(jí)之間的能量。單位:eV(電子伏特)。寬禁帶半導(dǎo)體是指禁帶寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體材料,而當(dāng)前主流的半導(dǎo)體材料硅的禁帶寬度大約是1.12eV。

下圖分別從電場(chǎng)強(qiáng)度、能隙(即帶寬)、電子遷移率、熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)5個(gè)方面對(duì)比了最常見(jiàn)的Si, SiC, GaN這三種半導(dǎo)體材料的屬性。


什么是寬禁帶半導(dǎo)體?


禁帶寬度和電場(chǎng)強(qiáng)度越高,器件越不容易被擊穿,耐壓可以更高;熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)越高,器件越容易散熱,也更容易耐高溫;電子遷移率越高,器件的開(kāi)關(guān)速度也就越快,因此可以做高頻器件。不難看出,SiC和GaN器件在高溫、高壓、高頻應(yīng)用領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)。

SiC與GaN的特性及應(yīng)用

GaN的特性及應(yīng)用

GaN的帶隙為3.4eV,是Si的3倍多。寬禁帶特性使GaN器件可以在與Si器件相同的電阻下,表現(xiàn)出更高的耐壓。同時(shí),得益于GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)的獨(dú)特結(jié)構(gòu),GaN HEMT非常適用于高速開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用。(GaN HEMT是一種基于二維電子氣導(dǎo)電的橫向器件,具有高電子遷移率,結(jié)電容小等特點(diǎn))


什么是寬禁帶半導(dǎo)體?


*GaN HEMT圖示


對(duì)于射頻器件而言,GaN的高電子遷移率和電子飽和速度允許更高的工作頻率,成為極高頻率的最佳設(shè)備材料。作為5G的核心材料,氮化鎵在射頻器件領(lǐng)域的占比將越來(lái)越多。

SiC的特性及應(yīng)用

SiC具有比GaN和Si更高的熱導(dǎo)率,因此SiC器件可以在極高的功率密度下操作。同時(shí),SiC也擁有寬帶隙和高臨界電場(chǎng),這些特性使得SiC器件非常適用于高壓,高功率密度的應(yīng)用。


什么是寬禁帶半導(dǎo)體?


另外,GaN和SiC有不同的最佳電壓等級(jí)。GaN器件的耐壓一般不超過(guò)650V,這個(gè)電壓范圍涵蓋云計(jì)算和電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。相比之下,SiC器件設(shè)計(jì)用于650V和更高電壓。SiC 器件可提供高達(dá) 1200V 的電壓等級(jí),并具備高載流能力,因此非常適合汽車和機(jī)車牽引逆變器、高功率太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)和大型三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。

相信無(wú)論是GaN亦或是SiC,隨著半導(dǎo)體從業(yè)人員的不懈努力,技術(shù)更新和復(fù)興勢(shì)不可擋地向前發(fā)展,未來(lái)將避免數(shù)十億噸溫室氣體排放,地球環(huán)境將得到有效改善。


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