固體中電子的能量分布是離散的，電子都分布在不連續(xù)的能帶(Energy Band)上，價(jià)電子所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙稱為禁帶寬度（Energy Gap），禁帶寬度反映了被束縛價(jià)電子要成為自由電子所必須獲得的額外能量。作為現(xiàn)代電子技術(shù)基石的硅材料，其禁帶寬度僅為1.12eV，寬禁帶半導(dǎo)體材枓是指禁帶寬度在3.0eV及以上的半導(dǎo)體材料，基于寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的器件稱為寬禁帶器件。典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料有碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、金剛石等，已制成成熟器件的有SiC器件和GaN器件。

圖一 硅基器件與寬禁帶器件的對比

寬禁帶材料具有比硅高得多的臨界雪崩電場強(qiáng)度和載流子飽和漂移速度；具有更高的熔點(diǎn)，與不擅長導(dǎo)熱的硅相比，寬禁帶材料SiC有較高的熱導(dǎo)率，因此，寬禁帶器件比硅器件有更高的耐受高電壓能力，有更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性，有更強(qiáng)的耐受高溫和射線輻射能力，有低得多的通態(tài)電阻，有更出色高頻特性。

SiC有多種晶型，能隙、擊穿電壓等半導(dǎo)體特性各不相同，圖二列出了4H-SiC材料特性和器件性能（與Si對比），可以看出其器件性能全面優(yōu)于硅器件。

圖二 材料特性與器件性能對應(yīng)關(guān)系

碳化硅晶體材料分為半絕緣型襯底(Substrate)和導(dǎo)電型襯底，與硅基器件不同，碳化硅器件不可直接制作于襯底上，須用化學(xué)氣相沉積法在襯底表面生成所需薄膜，即形成外延片，再進(jìn)一步制成器件。在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層，可制得碳化硅外延片，就可進(jìn)一步制成碳化硅二極管、碳化硅MOSFET等電力電子器件，這些器件能適應(yīng)高溫、高頻、高電壓工作狀態(tài)，能滿足結(jié)構(gòu)緊湊的高功率密度產(chǎn)品要求，主要用于電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域。

氮化鎵器件比碳化硅器件具有更好的高頻特性，但目前只可以在其他材料襯底的基礎(chǔ)上實(shí)施加工工藝制造相應(yīng)的器件，主要有Si基和SiC基兩種。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，可制得碳化硅基氮化鎵外延片，進(jìn)而制成微波射頻器件，以適應(yīng)高頻、高溫、高輻射工作環(huán)境。主要用在雷達(dá)、5G基站、航天通信等環(huán)境惡劣、又要高可靠性的領(lǐng)域。

硅基GaN晶體管主要用作電能變換的功率開關(guān)，允許其工作于極高的開關(guān)頻率，這樣就可以減小開關(guān)電源變壓器、電感及電容的容量和體積，近來手機(jī)充電器和筆記本電腦的電源適配器也多采用GaN器件，實(shí)現(xiàn)了配件的小型化和高效率。

SiC和GaN一般稱為第三代半導(dǎo)體，而將氧化鎵稱為第四代半導(dǎo)體，氧化鎵是金屬鎵的氧化物，其禁帶寬度達(dá)4.9eV，屬超寬禁帶半導(dǎo)體，臨界擊穿電場強(qiáng)度更高，氧化鎵基電力電子器件具有高耐壓、小尺寸、低損耗等突出優(yōu)點(diǎn)。

半導(dǎo)體材料日新月異，迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好半導(dǎo)體材料是立方砷化硼，其對電子和空穴的遷移率都很高(硅的空穴遷移率較差)，更讓人驚喜的是，其熱導(dǎo)率幾乎是硅的10倍，目前熱門的SiC功率器件的熱導(dǎo)率僅是硅的3倍，研究表明，立方砷化硼也具有非常好的禁帶，兼?zhèn)淅硐氚雽?dǎo)體所有主要品質(zhì)，克服了硅材料的主要缺陷。