邢台工程机械网

当前位置:主页 >> 工程机械厂家

SiC和GaN的一些技术对比竞争还是互补

发布时间:2021年07月29日    点击:[1]人次

SiC和GaN的一些技术对比:竞争还是互补?

到目前为止,半导体材料已经过了三个发展阶段,虽然这个领域并没有“后浪拍前浪,前浪死在沙滩上”的说法,不仅以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表第三代半导体正处于高速发展的阶段,就连硅(Si)和砷化镓(GaAs)等第一、二代半导体材料也仍在产业中大规模应用。但不可否认,第三代半导体确实具有更多的性能优势。

同为万众瞩目的第三代半导体,SiC和GaN不可避免地会被人拿来做对比中国机械网okmao.com。两者相似的地方在于它们都属于宽禁带半导体的成员——在固态物理学中,禁带宽度是指从半导体或绝缘体的价带顶端到传导带底端的能量差距。宽禁带半导体内部电阻非常低,制成的元件与同类硅元件比较,效率可提升70%。低电阻可让半导体运作时的产生的热量降低,达到更高的功率与密度,宽禁带半导体关断时间极短,能够在非常高的开关频率下运作。

当然,SiC和GaN也有各自与众不同的特性,主要可分为以下两点:

性能对比

碳化硅和氮化镓半导体通常也被称为化合物半导体,因为他们是由选自周期表中的多个元素组成的。下图比较了Si、SiC和GaN材料的性能,这些材料的属性对电子器件的基本性能特点产生重大影响。

硅、碳化硅,氮化镓三种材料关键特性对比

图片来源:英飞凌

对于射频和开关电源设备而言,显然SiC和GaN两种材料的性能都优于单质硅的,他们的高临界场允许这些器件能在更高的电压和更低的漏电流中操作。高电子迁移率和电子饱和速度允许更高的工作频率。然而SiC电子迁移率高于Si,GaN的电子迁移率又高于SiC,这意味着氮化镓应该最终成为极高频率的最佳设备材料。

另外,高导热系数意味着材料在更有效地传导热量方面占优势。SiC比GaN和Si具有更高的热导率,意味着SiC器件比GaN或Si从理论上可以在更高的功率密度下操作。当高功率是一个关键的理想设备特点时,高导热系数结合宽带隙、高临界场的SiC半导体具有一定优势。GaN相对较差的导热性,使系统设计人员处理氮化镓器件的热量管理面临一个挑战。

应用对比

GaN和SiC在材料性能上各有优劣,因此在应用领域上各有侧重和互补。

GaN:目前主要用于射频器件、电力电子功率器件以及光电器件。GaN的商业化应用始于LED照明和激光器,其更多是基于GaN的直接带隙特性和光谱特性,相关产业已经发展的非常成熟。射频器件和功率器件是发挥GaN宽禁带半导体特性的主要应用领域。由于5G基站会用到多发多收天线阵列方案,GaN射频器件对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进,因此5G通信将是GaN射频器件市场的主要增长驱动因素。

SiC:SiC能大大降低功率转换中的开关损耗,因此具有更好的能源转换效率,更容易实现模块的小型化,更耐高温,目前主要用于高温、高频、高效能的大功率元件,如智能电网、交通、新能源汽车、光伏、风电。其中,新能源汽车是SiC功率器件市场的主要增长驱动因素,主要的应用器件有功率控制单元(PCU)、逆变器,DC-DC转换器、车载充电器等。

SiC和GaN的一些技术对比:竞争还是互补? 中国机械网,okmao.com

总结

这两种材料可以制造许多有趣的设备。我们目前看到氮化镓被用于低功率/电压,高频率的应用中,而碳化硅被用于高功率,高电压开关电源的应用中。由于SiC已发展十多年了,GaN功率元件是个后进者,因此仅管GaN元件市场直起急追,但相较于前者,其市场仍远远落后。

不过现在只是第三代半导体产业发展的前期,随着近年来全球对于都市基础建设、新能源、节能环保等方面的政策支持,对SiC/GaN等高性能功率元件的需求势必会增大。因此相信在未来,无论是SiC还是GaN一定都能扮演比现在更重要的角色并融入各自的商业市场中。