什么是寬禁帶半導(dǎo)體？

什么是寬禁帶半導(dǎo)體？

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？

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。

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。

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)）

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。

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(chē)和機(jī)車(chē)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。

審核編輯：湯梓紅