1.厚積薄發(fā)，應(yīng)運(yùn)而生
作為半導(dǎo)體材料“霸主“的Si，其性能似乎已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)極限，而此時(shí)以SiC和GaN為主的寬禁帶半導(dǎo)體經(jīng)過一段時(shí)間的積累也正在變得很普及。所以，出現(xiàn)了以Si基器件為主導(dǎo)，SiC和GaN為"游擊"形式存在的局面。在Si之前，鍺Ge是最早用于制造半導(dǎo)體器件的材料，隨后Si以其取材廣泛、易形成SiO2絕緣層、禁帶寬度比Ge大的優(yōu)勢(shì)取代了Ge，成為主要的半導(dǎo)體材料。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，Si基半導(dǎo)體器件也在飛速發(fā)展，電流、電壓等級(jí)越高，芯片越薄越小、導(dǎo)通壓降越小、開關(guān)頻率越高、損耗越小等等。任何事物的發(fā)展，除了外在力的作用，自身特性也會(huì)限制發(fā)展，Si基半導(dǎo)體器件似乎已經(jīng)到了"寸步難行"的地步。而此時(shí)，以碳化硅SiC和氮化鎵GaN為主的新型半導(dǎo)體材料，也就是我們常說的第三代寬禁帶半導(dǎo)體(WBG)"破土而出"，以其優(yōu)越的性能突破的Si的瓶頸，同時(shí)也給半導(dǎo)體器件應(yīng)用帶來了顯著的提升。相對(duì)于Si，SiC和GaN有著以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：? 禁帶寬度是Si的3倍左右，擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為Si的10倍；? 更快的開關(guān)速度和更低的開關(guān)損耗；根據(jù)上面的優(yōu)勢(shì)，第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件，能夠達(dá)到更高的開關(guān)頻率，提高系統(tǒng)效率，同時(shí)增大功率密度等，但是目前推動(dòng)的最大推動(dòng)力還得看成本！目前，SiC和GaN半導(dǎo)體器件早已進(jìn)入商業(yè)化，常見的SiC半導(dǎo)體器件是SiC Diode、JFET、MOSFET，GaN則以HEMT(高電子遷移率晶體管)為主。不同類型的碳化硅器件結(jié)構(gòu)和工藝難度都不一樣，一般都是依據(jù)其工藝難度依次推出的?？芍琒iC Diode便是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化碳化硅半導(dǎo)體器件，同時(shí)也是歷經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部封裝優(yōu)化最多的器件，自身耐壓能力、抗浪涌能力和可靠性都得到了大大提高，是目前最為成熟的SiC半導(dǎo)體器件。肖特基二極管SBD是最先商業(yè)化的碳化硅二極管，其具有較低的導(dǎo)通壓降，但是反向漏電流較大，為了限制反向漏電流，結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管JBS應(yīng)運(yùn)而生；隨后還有JBS和PiN結(jié)合的肖特基二極管MPS，主要都是為了平衡其正向壓降和反向漏電流。碳化硅SBD的反向恢復(fù)過程很短、反向恢復(fù)損耗低，正向壓降具有正溫度系數(shù)，適合多管并聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)合，目前商用的主要為MPS二極管。碳化硅JFET一般為常開型器件，為了實(shí)現(xiàn)常斷，目前一般是將常開的SiC JFET和一個(gè)起控制作用的低壓Si MOSFET級(jí)聯(lián)成Cascode結(jié)構(gòu)，即共源共柵結(jié)構(gòu)。Cascode結(jié)構(gòu)的SiC JFET能夠兼容原先的Si MOSFET或者Si IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，并且性能上幾乎不會(huì)因?yàn)槎啻?lián)了一個(gè)器件而產(chǎn)生影響。SiC JFET為單極型器件，沒有柵氧層，工藝上比較容易實(shí)現(xiàn)且可靠性較高，但是對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的控制要求較高，采用Cascode結(jié)構(gòu)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。SiC MOSFET是目前倍受工業(yè)界關(guān)注的SiC半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)通電阻小、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、允許工作溫度高等特點(diǎn)，能夠提高電力電子裝置的功率密度和工作環(huán)境溫度，適應(yīng)當(dāng)前電力電子技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，也是被認(rèn)為是Si基IGBT的理想替代者(奪權(quán)時(shí)間待定)。相對(duì)而言，SiC MOSFET的工藝步驟更復(fù)雜、難度更高，制造工藝的研發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，這也是為什么SiC MOSFET比前兩者來得稍晚些。SiC IGBT？前面我們也有聊到過，就應(yīng)用領(lǐng)域的性價(jià)比來說，SiC IGBT也有，不過相對(duì)來說不會(huì)太常見。-- SiC IGBT--PET的未來？氮化鎵器件最接地氣的就是各類手機(jī)快充，GaN器件的性能遠(yuǎn)由于Si基器件，因?yàn)镚aN器件的結(jié)電容很小，開關(guān)速度非?？?，能夠在幾納秒內(nèi)完成開關(guān)，損耗極小，使得其工作頻率達(dá)到MHz級(jí)別，大大提高了系統(tǒng)的功率密度。GaN半導(dǎo)體器件主要以HEMT為主，我們也叫調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管MODFET，導(dǎo)通電阻非常小，并且不需要柵極正偏就能形成導(dǎo)電溝道，所以一般為常開器件。為了實(shí)現(xiàn)常斷，一般可以采用和SiC一樣的Cascode結(jié)構(gòu)，還可以優(yōu)化自身的柵極結(jié)構(gòu)，如在柵極下方生長(zhǎng)P+AlGaN，形成深耗盡區(qū)，在零偏壓的情況下阻斷溝道，實(shí)現(xiàn)閾值電壓大于0V的目的。雖然SiC和GaN器件已經(jīng)出現(xiàn)商業(yè)化，但是依舊存在很多沒有完全解決甚至未知的問題，未完待續(xù)。。。。。。隨著SiC和GaN的快速發(fā)展，憑借其優(yōu)異的特性，在電力電子涉及的領(lǐng)域備受關(guān)注，不管是半導(dǎo)體器件的制造商，還是半導(dǎo)體器件的應(yīng)用商，無一不將其放在心上。但除了半導(dǎo)體器件的發(fā)展，外部電路，如驅(qū)動(dòng)電路，或者是整個(gè)電路拓?fù)涞?，也需要不斷發(fā)展和優(yōu)化，才能更大程度地發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)異性能。雖然寬禁帶半導(dǎo)體不再是那么觸不可及，但是相對(duì)Si基而言，成本依舊是其侵占市場(chǎng)的一大阻礙，但大勢(shì)所趨僅僅是時(shí)間問題。
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