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什么是寬禁帶半導體?

矽力杰半導體 ? 2023-05-06 10:31 ? 次閱讀

什么是寬禁帶半導體

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

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什么是寬禁帶?

物質的導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帶,自用空穴存在的能帶稱作價帶。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帶躍遷到導帶,這個能量的最小值就是禁帶寬度。

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

下圖分別從電場強度、能隙(即帶寬)、電子遷移率、熱導率和熔點5個方面對比了最常見的Si, SiC, GaN這三種半導體材料的屬性

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禁帶寬度和電場強度越高,器件越不容易被擊穿,耐壓可以更高;熱導率和熔點越高,器件越容易散熱,也更容易耐高溫;電子遷移率越高,器件的開關速度也就越快,因此可以做高頻器件。不難看出SiC和GaN器件在高溫、高壓、高頻應用領域的顯著優勢。

SiC與GaN的特性及應用

GaN的特性及應用

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,表現出更高的耐壓。同時,得益于GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)的獨特結構,GaN HEMT非常適用于高速開關電源的應用。(GaN HEMT是一種基于二維電子氣導電的橫向器件,具有高電子遷移率,結電容小等特點)

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*GaN HEMT圖示

對于射頻器件而言,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備材料。作為5G的核心材料,氮化鎵在射頻器件領域的占比將越來越多。

SiC的特性及應用

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

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另外,GaN和SiC有不同的最佳電壓等級。GaN器件的耐壓一般不超過650V,這個電壓范圍涵蓋云計算和電信基礎設施應用。相比之下,SiC器件設計用于650V和更高電壓。SiC 器件可提供高達 1200V 的電壓等級,并具備高載流能力,因此非常適合汽車和機車牽引逆變器、高功率太陽能發電場和大型三相電網轉換器等應用。

相信無論是GaN亦或是SiC,隨著半導體從業人員的不懈努力,技術更新和復興勢不可擋地向前發展,未來將避免數十億噸溫室氣體排放,地球環境將得到有效改善。

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