為什么比 Si 好？

——半導體發展史

硅作為第一代「半導體材料」的典型代表，其技術與應用發展到如今已經是爐火純青，甚至于，目前全球 95% 以上的半導體芯片和器件都是用硅片作為基礎功能材料而生產出來。

但我們需要知道，任何材料其性能和效率都存在一個理論極限，隨著硅材料技術的日臻佳境的發展，硅在光電子領域和高頻高功率器件方面的諸多限制也開始體現出來。

也就是說，硅的性能已經開始跟不上各種應用場景的需求了。根本原因就在于硅本身的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低。

當材料技術的發展遭遇瓶頸，那么我們必將尋求新的代替者，獲得更加優秀的解決方案。在這條關于更高性能的探索路上就開始了——

半導體材料的發展史

第一代：元素半導體

典型如硅基和鍺基半導體。其中以硅基半導體技術較成熟，應用也較廣，一般用硅基半導體來代替元素半導體的名稱。

以硅材料為代表的第一代半導體材料，它取代了笨重的電子管，導致了以集成電路為核心的微電子工業的發展和整個 IT 產業的飛躍，廣泛應用于信息處理和自動控制等領域。

第二代：化合物半導體

20 世紀 90 年代以來，隨著移動通信的飛速發展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網的興起，以砷化鎵( GaAs )、磷化銦( InP )為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭腳。

GaAs、InP 等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料，廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信、GPS 導航等領域。

但是 GaAs、InP 材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，污染環境，這些缺點使得第二代半導體材料的應用具有很大的局限性。

第三代：寬禁帶半導體

第三代半導體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

它們的禁帶寬度在 2.3eV 以上，其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化鎵為代表。

與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優越性質，翻譯下來就是：

高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強。

憑借極優越的性能和巨大的市場前景，第三代半導體材料正在成為全球半導體市場爭奪的焦點。

寬禁帶材料「雙子星」

——不得不說的 SiC

目前來看，SiC 和 GaN 的技術研究進展較快，并且已經開始有了廣泛應用。SiC 與 GaN 相比較，前者相對 GaN 發展更早一些，技術成熟度也更高一些。

SiC 禁帶寬度為 3.23ev，GaN 禁帶寬度為 3.4ev。

SiC 器件相對于 Si 器件的優勢主要來自三個方面：

• 降低電能轉換過程中的能量損耗
• 更容易實現小型化
• 更耐高溫高壓

據了解，SiC 功率器件的能量損耗只有 Si 器件的 50%，發熱量只有 Si 器件的 50%，且有更高的電流密度。

在相同功率等級下，SiC 功率模塊的體積顯著小于 Si 功率模塊。

聽上去是不是和 GaN 很像？

沒錯，這是兩者材料特性決定的，在很多性能上 SiC 和 GaN 具有十分相似的表現。

那么問題來了——

為什么我們的充電器用的都是 GaN 而不是 SiC 呢？

兩者有一個很大的區別是熱導率。

這使得在高功率高溫等極限場景應用中，SiC 占據統治地位；而 GaN 具有更高的電子遷移率，因而能夠比 SiC 或 Si 具有更高的開關速度，在高頻率應用領域，GaN 具備優勢。

簡單來說就是，SiC 如果用在我們日常的手機充電器上，其實有點大材小用，這其中也牽扯到成本的問題，綜合下來其實 GaN 更為合適。

那么 SiC 的主要應用場景是？

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導體材料，在熱、化學、機械方面都非常穩定，這使得它可以被用在非常極端的環境條件下。

針對于 SiC，微波及高頻和短波長器件是目前已經成熟的應用市場。

在電力電子領域，SiC 應用市場最大的驅動力，可能來自于新能源汽車。

事實上 SiC 已經被應用的典型市場包括：軌交、功率因數校正電源（PFC）、風電（wind）、光伏（PV）、新能源汽車（EV/HEV）、充電樁、不間斷電源（UPS）等。

SiC 器件如何提升電動汽車的系統效率

新能源車的功率控制單元（PCU）是汽車電驅系統的中樞神經，管理電池中的電能與電機之間的流向、傳遞速度。

傳統 PCU 使用硅基材料半導體制成，強電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時的電能損耗是混合動力車最主要的電能損耗來源。

而使用 SiC 則大大降低了這一過程中能量損失，同時也可以大幅降低器件尺寸，車身可以設計得更為緊湊。

所以 SiC 和 GaN 在很多關鍵特性上看上去像是「兩兄弟」，但其實目前它們正在各自擅長的領域發著不同的光。

GaN 有著更強的成本控制，SiC 則能夠勝任更極限的環境條件。