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的差异碗形垫片
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。刮奖卡制作
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
橡胶软化油
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人机交互设备
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
结语总线上的音频设备
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
金属粉末涂料诚邀加⼊
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：dgzqyqj@163 。
