摘要

随着现代工业更高功率、更高频率、更小体积的应用需求，仅仅通过改变器件结构，将无法突破半导体材料本身性能的限制。而第三代半导体材料——宽禁带半导体可以突破传统硅半导体材料的极限，从而研发出性能更为优越的半导体功率器件。

一、什么是宽禁带半导体呢？

固体的能带结构主要分为导带、价带和禁带三部分，原子中最外层电子称为价电子，价电子所占据的能带称为价带；比价带能量更高的允许带称为导带；在价带和导带之间的范围是电子无法占据的，这一范围称为禁带。

材料想要导电，就需要价带中的电子跃迁到导带中，形成可以自由移动的电子。电子需要跃迁的距离就是禁带宽度。

物体要导电，就必须在导带中存在可以移动的自由电子。因此，我们可以猜想：禁带宽度越窄的物体，电子就越容易发生跃迁，因此就越容易导电。相反，禁带宽度越宽的物体，电子跃迁所需要的能量就越高，因此就越不容易发生电子跃迁而导电。

那事实是不是和我们猜想的一样呢？让我们分别来看一下导体、半导体、宽禁带半导体、超宽禁带半导体和绝缘体的禁带宽度，如下图所示。

从图中我们可以看出，导体的价带顶部和导带的底部挨在了一起，即导体的禁带宽度为0。因此，导体不需要外部能量，价带中的电子就可以移动到导带中，从而导电。

绝缘体的价带和导带之间的距离最远，远到电子基本无法获得足够的能量发生跃迁。

半导体的禁带宽度介于导体和绝缘体之间。

宽禁带半导体就是禁带宽度大于传统半导体的一种半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。如果禁带宽度再宽一点，就被称为超宽禁带半导体，如氮化铝镓（AlGaN）、氧化镓（Ga2Q3）等。

下面有个问题，大家可以思考一下。

1.从禁带宽度的角度想想，本征半导体导电吗？

本征半导体的禁带宽度介于导体和绝缘体之间，在没有外部激发的条件下，本征半导体内部的电子都在价带内运动，其不能自发的跃迁到导带上，从而无法形成可以导电的自由电子。因此本征半导体原本不导电，只有在一定条件下，本征半导体才可以导电。比如本征半导体在受到光和热的辐射时，价带中的电子吸收了能量，从而使获得能量的电子从价带跃迁到了导带，这个过程叫做本征激发。本征激发产生了导带中的自由电子和价带中的空穴，从而使本征半导体具有了一定的导电能力。

二、第三代半导体材料——宽禁带半导体相比于传统半导体材料都有哪些优势呢？

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，和氮化镓（GaN）都具有宽禁带宽度的特性，被称为第三代半导体材料。传统半导体材料Si和宽禁带半导体材料SiC、GaN的对比如下图所示。

从图中我们可以看出，半导体Si的禁带宽度为1.12电子伏特，而宽禁带半导体SiC禁带宽度为3.23电子伏特，宽禁带半导体GaN的禁带宽度和SiC差不多为3.42电子伏特。正是因为SiC和GaN具有更宽的禁带宽度，从而使其拥有更高的击穿电场强度，从上表中可以看出，SiC和GaN的临界电场强度大约是Si的10倍左右，因此宽禁带半导体器件的工作电压更高，体积更小。

SiC的热导率为4.0，而Si的导热率只有1.5，因此SiC的散热性能更好，拥有更优良的耐高温性能，有助于提高系统的整体功率密度。但我们也看到了氮化镓（GaN）的热导率只有1.3，因此这就决定了GaN半导体器件工作的功率没有SiC半导体器件工作的温度高。

饱和电子漂移速率是指半导体中电子漂移速度的最大值，当电子漂移速度达到该值时，即使再增大电场强度，电子的漂移速度也不会再增加。高饱和电子漂移速率的半导体材料在高频、高速信号的处理中有出色的表现。从上表可以看出，GaN的饱和电子漂移速率为2.5，比Si和SiC都大，因此GaN半导体器件常常应用于更高频率的场合。

除此之外，宽禁带半导体在辐射环境下的稳定性要远超过传统的Si基芯片，拥有优异的抗辐射能力和良好的化学稳定性。

总结：通过对比，宽禁带半导体材料碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）相较于传统的半导体材料硅（Si）拥有更高的临界电场强度、更高的热导率和更大的饱和电子漂移速率，材料性能可以说是单方面碾压传统半导体材料硅（Si）。宽禁带半导体材料的这些优异性能，使得利用宽禁带半导体材料制作的半导体功率器件更能满足现代工业对于高功率、高电压、高频率、小体积的需求。

三、宽禁带半导体功率器件SiC MOSFET

1.SiC MOSFET的结构原理

SiC MOSFET的结构原理和Si MOSFET相同，都是通过栅极施加正向电压，在与栅极相连的二氧化硅绝缘层下面形成反型层，从而形成漏极到源极的导电沟道。与Si MOSFET所不同的是SiC MOSFET结构中的衬底材料是SiC N衬底或者SiC P衬底，其结构示意图如下所示。

SiC产业链主要包括衬底、外延、器件制造、封测等环节。SiC衬底的制造过程是首先将碳粉和硅粉在高温下反应得到高纯度 SiC微粉，然后将其放在单晶生长炉中高温升华形成 SiC晶体，最后 SiC 晶体通过晶锭加工、切割、研磨、抛光和清洗得到 SiC 衬底。根据衬底电阻率的不同，SiC衬底可以分类为导电型、半绝缘型衬底。由于衬底具有一定缺陷，不适合在其上直接制造半导体器件，所以衬底上一般会沉积一层高质量的外延材料。导电型 SiC 衬底上一般再外延一层 SiC，然后用于制作功率器件，如上图所示的SiC MOSFET；而半绝缘型SiC衬底上可以外延GaN材料，用于制作射频器件。

2.SiC MOSFET的应用场景

SiC MOSFET的应用范围如上图所示，从图中可以看出，SiC MOSFET的适用功率高于Si MOSFET，适用频率高于Si IGBT。

3.SiC MOSFET与Si IGBT的对比

由于Si IGBT和SiC MOSFET都适用于高电压场合，一般为1200V以上，所以将它们两个来简单做一下比较，直观感受一下宽禁带半导体器件的优越性能。

上图我们分别对比了SiC MOSFET和Si IGBT的开通损耗和关断损耗，图中红色的是SiC MOSFET的开通损耗和关断损耗。从图中我们可以看出，不管是开通损耗还是关断损耗，SiC MOSFET都要明显小于Si IGBT，下图可以更为直观的看到两者的差距。

四、宽禁带半导体功率器件GaN HEMT

1.GaN HEMT的结构原理

HEMT=High electron mobility transistor高电子迁移率晶体管

GaN HEMT的结构示意图如下所示。

从上图可以看出GaN HEMT结构与Si MOSFET相似，它分为两种，一种是常开型，一种是常闭型。类似于Si MOSFET的耗尽型和增强型，耗尽型Si MOSFET在栅极不施加电压时，源极和漏极是导通的，栅极施加反向电压，MOSFET关断；而增强型Si MOSFET在栅极不施加电压时，源极和漏极不通，当栅极施加超过开启电压的正电压时，MOSFET开通。很显然增强型MOSFET的开通逻辑更符合我们的理解，即不加电压就不通，加电压就导通，实际中我们应用的MOSFET也绝大多数都是增强型MOSFET。

GaN HEMT与Si MOSFET结构中不同的是，Si MOSFET的栅极是接在绝缘材料SiO2上的，而GaN HEMT栅极是接在超宽禁带半导体材料氮化铝镓（AlGaN）上。除此之外，Si MOSFET的导通是靠SiO2绝缘层下形成的反型层来构成导电沟道，而GaN HEMT的导电沟道是一层二维电子气（2DEG）。而且GaN HEMT结构中没有体二极管，源极和漏极没有方向性，可以双向导通，这类似于结型场效应管（JFET）。

2.GaN HEMT的应用场景

从上图可以看出，GaN的适用工作频率最高，前面讲过了，这得益于GaN的高饱和电子漂移速率，因此GaN器件更适合高频场合的应用，具体应用领域如下所示。

手机基站：GaNMOSFET 可用于手机基站中的功率放大器，以提高信号质量和覆盖范围。

雷达系统：GaN MOSFET可用于雷达系统中的发射器和接收器，以实现更长的探测距离和更高的分辨率。

航空航天电子设备：GaNMOSFET 可用于航空航天电子设备中的雷达、通信和导航系统，以提供更高的功率和效率。

3.GaN HEMT与Si MOSFET的对比

通过对比Si MOSFET和GaN HEMT我们发现，当两者具有相同的导通电阻时，GaN器件具有更小的结构尺寸，要比硅基MOSFET尺寸小10倍以上。

GaN器件的Qg比Si MOSFET小19倍。Qg在前面文章《一文读懂MOSFET英文手册【干货】》中有提到过，它表示栅极的总电荷，也就是MOS管需要开通的话，需要的总的充电电荷。因此我们知道，Qg如果越小，表示MOSFET开通所需的充电电荷就越少，因此也就越容易开通，这将会有利于提高开关速度，从而适用于更高的工作频率。但是同时，它也会带来一定的弊端，那就是更容易导致误开通。

总的来看，基于宽禁带半导体材料的半导体功率器件在性能上可以说是碾压传统的硅基半导体器件。那么你觉得传统半导体材料是否会被宽禁带半导体材料所取代呢？可以在评论区说说大家的看法。

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