【原】宽禁带|硅化硅和氮化镓器件的优势、差异、市场和产品

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）被称为“宽禁带半导体”(WBG)，在禁带宽度上，硅是1.1eV，SiC是3.3eV，GaN是3.4eV，因此宽禁带半导体具有更高的击穿电压，在某些应用中可以达到1200-1700V。

 

宽禁带材料的优势和前景

宽禁带器件具有以下优点：具有极低的电阻，与硅等效器件相比，效率可提高70%，工作温度、热传导能力和功率密度也获进一步提升。热传导能力的提升可以使用更简单的封装、显著减少尺寸和重量；极低的关断时间（GaN器件中接近于零），在较低的温度下即可实现非常高的开关频率。

传统功率电子器件都可以用宽禁带器件来替代，而且在诸多应用领域传统硅器件已经达到了极限。宽禁带技术将是未来功率电子的基础，也为开拓新应用领域奠定基础。

 

SiC和GaN的差异

硅或新型宽禁带器件都根据不同应用所要求的功率和频率性能占据一定市场份额。SiC器件和GaN器件尽管在概念层面有相似之处，但并非可互换，在不同系统中的使用情况并不同。

性能方面：具体而言，SiC器件可以承受更高的电压，最高可达1200V；GaN器件的工作电压和功率密度则低于SiC。同时，由于GaN器件的关断时间几乎为零（与50V/s的Si MOSFET相比，高电子迁移率使GaN的dV/dt大于100V/s），因此可在高频段提供前所未有的效率和性能。但是这种理想的正向特性被证明也带来不方便，如果器件的寄生电容不接近于零，就会产生几十安培的电流尖峰，可能会在电磁兼容测试阶段造成问题。

封装方面：SiC更有优势，由于可以采用与IGBT和MOSFET相同的TO-247和TO-220封装，新的SiC可以实现快速替换。GaN器件则使用更轻、更小的SMD封装，虽然可以获得更好的效果，但必须用在新项目中。

图 SiC的TO-220和TO-247封装

图 GaN的SMD封装

  

成本方面：SiC器件现阶段更便宜，更受欢迎，原因之一是其走在了GaN之前。成本只是在一定程度上与生产工艺相关，还与市场需求有关，这也是为什么市场上的价格会趋于平坦的原因。由于GaN衬底的生产成本较高，GaN器件通常都基于Si衬底。

瑞典林雪平大学与其孵化的SweGaN公司合作，使用一种新的晶圆生长工艺(该工艺称为变形异质外延，可防止出现结构缺陷)，制造出SiC基GaN，同时获得了与SiC器件相比的最大电压和Si基GaN器件所具有的工作频率。这项研究还强调了采用这种工艺将能够改善热管理能力，垂直击穿电压超过3kV，与目前的解决方案相比，导通状态下的电阻小一个数量级。

 

应用和市场

宽禁带器件的应用仍在小众市场，研发人员需更好地了解如何发挥其潜力。目前最大的市场是二极管，但有望在未来5年内涌入晶体管市场。根据预测数据，电动汽车、电信和消费市场是最有可能的应用领域。

电动汽车和自驾车汽车是最有利润的市场，宽禁带器件将被用于逆变器、车载充电设备（OBC）和防撞系统（LiDAR），这正是因为新器件的热特性和效率与提升蓄能器性能的需求相匹配。

在电信市场中，5G将推动宽禁带发展，数百万个5G基站需要更高的能效，更小的体积和更轻的重量，将显著推动宽禁带器件性能的提升和成本的削减。

在消费市场中，也将带来宽禁带器件的大量使用。得益于移动设备的不断普及，无线电源和充电设备将是主要应用领域，从而满足快速充电的需求。

 

SiC和GaN器件产品

英飞凌开发了一系列的SiC和GaN MOSFET器件及其驱动器——CoolSiC和CoolGaN系列。FF6MR12W2M1_B11半桥模块可在1200V电压下可提供高达200A的功率，导通电阻仅为6mΩ，该模块配备了两个SiC MOSFET和一个NTC温度传感器，适用于UPS和电机控制应用，体现效率和散热能力。如下图。文后原文连接可下载CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN产品系列目录。

图 CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN性能对比

图 FF6MR12W2M1_B11

 

在Microsemi（2018年5月已被Microchip收购）产品中也有类似的解决方案，在Phase Leg SiC MOSFET模块，采用了SP6LI器件系列，电压最高可达1700V，电流大于200A；AlN衬底确保了更好的热传导能力，两个SiC肖特基二极管可以提高开关频率。

图 Microsemi的Phase Leg SiC MOSFET

 

Wolfspeed的CAB450M12XM3半桥式器件能够提供高达1200V的电压和450A的电流，由于采用了第三代SiN衬底MOSFET，适合在175℃的连续工作模式下工作。

图 CAB450M12XM3

在GaN领域

Gan Systems公司推出GS-065-150-1-D，是一款利用专利的Island技术的晶体管，能够在开关频率大于10MHz时高达650V电压和150A电流。

Nexperia推出GAN063-650WSA，电压650V，导通电阻60mΩ，采用TO-247封装。

图 GAN063-650WSA

 

Transphorm推出采用TO-247封装的GaN器件TP90H050WSFET，工作电压可以达到900V，典型导通电阻为50mΩ，上升和下降时间约为10nS，计划于2020年中开始批量供货。 

图 TP90H050WS FET

 

结语

宽禁带器件的实力待挖掘，应用场景在不断发展，厂商们也开始提供可靠的解决方案。在这个以“效率”为口号的时代，宽禁带正给了市场一个适合的选择，通过提供新的工具和答案来解决电源设备设计者所面临的问题。

信息来源

本文的原作者EETimes的Davide Di Gesualdo

https://www./sic-and-gan-lets-take-stock-of-the-situation/

诚邀加入

为了向行业提供更全面的军用电子元器件信息内容服务，我们诚挚邀请有志之士和元器件相关各领域技术专家加入我们，以兼职方式参与信息编译和深度研究等工作，以及给予技术指导，共同为产业发展尽一份绵薄之力。联系方式：[e-mail]。