硅 （Si） 功率器件由于其低成本的批量生產、出色的起始材料質量、易于制造和經過驗證的可靠性而在電力電子領域占據主導地位。盡管硅功率器件不斷改進，但它們正在接近其工作極限，這主要是由于它們相對較低的帶隙、臨界電場和熱導率會導致高傳導和開關損耗以及較差的高溫性能。碳化硅 （SiC） 的大帶隙和臨界電場允許具有更薄層的高壓器件，從而降低電阻以及相關的傳導和開關損耗。結合 SiC 的大熱導率，通過簡化的熱管理，可以在高功率水平下高溫運行。

此外，更薄的器件層和低比導通電阻允許減小電容的更小的形狀因數。這可以在遠高于硅的頻率下高效運行，從而最大限度地減小無源系統組件的尺寸。因此，基于 SiC 的系統更高效、更輕、體積更小，并且具有成本競爭力（盡管器件成本高于 Si 器件），因為體積龐大的磁性元件和散熱器被最小化。

在過去的二十年中，這些引人注目的效率和系統優勢導致了重大的開發工作，SiC 平面和溝槽 MOSFET 和 JFET 可作為分立元件和電壓范圍為 650 至 1，700 V 的高功率模塊從多家供應商處商業化。 目前，電力電子工程師可以選擇 Si、SiC 和氮化鎵 （GaN） 組件用于他們的系統。當然，在為應用和電壓選擇合適的材料器件時，有許多權衡：電流、頻率、效率、溫度和成本是重要的考慮因素。

圖 1：Si、SiC 和 GaN 具有競爭力的電壓范圍

圖 1顯示了 Si、SiC 和 GaN 極具競爭力的電壓范圍。 硅可靠、堅固、便宜，并且能夠在“較低”頻率下進行大電流高效運行。它在 15 至 650V 范圍內特別具有競爭力。GaN 以合理的成本提供高效的高頻操作，因為它是在 CMOS 兼容的晶圓廠和代工廠中制造的，利用了硅制造的規模經濟。GaN 器件是橫向的——與具有垂直配置的 SiC 功率器件不同——這簡化了封裝和 IC 制造。

然而，橫向配置實際上將操作限制在 ~650 V（一家 GaN 供應商提供 900 V 器件），而 SiC 是高于該額定電壓的最佳解決方案。SiC 效率高，可在高電流和高頻率下工作。雖然不完全兼容 CMOS，它是在硅晶圓廠中制造的，只需對額外的 SiC 專用設備進行少量資本投資。多個已建立的 Si 工藝已成功轉移到 SiC，并且特定的 SiC 工藝在全球眾多晶圓廠中處于成熟階段。總體而言，碳化硅具有成本競爭力，因為它在成熟節點完全折舊的大容量硅晶圓廠進行加工，提供剩余的晶圓產能，最大限度地提高晶圓廠的利用率和利潤。

審核編輯：符乾江