原标题：WBG设备的未来发展方向

　　这些新的半导体材料有什么特别之处，为什么它们被视为硅的替代品?

　　近年来，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 在半导体器件市场上取得了越来越大的成功。GaN 现在用于移动设备充电器和充电系统。苹果、三星和小米等公司都选择了基于 GaN 的充电器，这些充电器可提供高功率密度，同时保持甚至减轻这些组件的重量。这些充电器使用 GaN Systems 和 Navitas Semiconductor 等公司提供的功率 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 芯片。

　　另一方面，SiC 器件主要用于电动汽车领域。2017 年，特斯拉等电动汽车制造商选择使用基于 SiC 的电机控制器，从而提高了系统的效率。这引发了一场开发大量 SiC 器件的竞赛，以满足越来越多的电动汽车进入市场。

　　它们的受欢迎程度引出了一个问题：这些新的半导体材料有什么特别之处，为什么它们被视为硅的替代品?

　　SiC 和 GaN 与硅

　　正如 Victor Veliadis 在 2022 年 7 月 28 日的 PSMA 网络研讨会“SiC 电源技术现状和需要克服的障碍”中所解释的那样，“SiC 和 GaN 材料的临界电场大约是硅的 10 倍，具有带隙高出 3 倍。在半导体系统中，漂移层保持其额定电压，这使得该层的厚度和掺杂水平决定了器件的电压能力。”

　　对于特定的额定电压，漂移层的厚度与临界电场成反比。这意味着具有特定电压能力的 GaN 和 SiC 器件具有比硅器件薄 10 倍的漂移层。这些因素推动了设计变化，并对半导体设计产生了重大影响。

　　由于漂移层更薄，SiC 器件的尺寸更小，从而降低了它们的电容。因此，这些设备可以在比硅更高的频率下有效地切换。由于更高的开关频率，无源元件和电感器等磁性器件的尺寸也减小了。这导致系统的整体尺寸显着减小，从而提高了其功率密度。此外，大 SiC 带隙和高导热性允许在高温下运行并简化冷却管理，进一步降低系统重量和体积。

　　这并不是说 SiC 或 GaN 更胜一筹，或者说硅已经过时。要使用的半导体材料的选择将取决于部署它们的应用的规格。在额定电压为 15 V 至 650 V 的设备中，硅仍然是强有力的竞争者，而且价格更便宜、更可靠，而 GaN 在移动充电器和类似充电系统等低功率应用中越来越受欢迎。如前所述，GaN 是低功率应用中唯一可行的宽禁带硅替代品，因为 SiC 在低于 650 V 的电压下工作是不切实际的。

　　图 1：Si、SiC 和 GaN(来源：Victor Veliadis)

　　功率因数校正

　　GaN 支持称为“图腾柱无桥 PFC 拓扑”的功率因数校正 (PFC) 技术。另一方面，传统的硅升压解决方案将有一个二极管桥，其中两个二极管持续导通。这将导致重大损失，但由于 GaN 的反向恢复基本上为零，因此可以减轻这种损失。随着服务器机架越来越多地向 48 V 发展，100 V GaN 器件也被部署在数据中心。此外，650 V GaN 器件也可以部署和运行用于 PFC 电路。与使用 GaN 相比，SiC 适用于更高功率的应用，电压范围为 650 V 至 3.3 kV，目前正在开发更高电压的器件。

　　Tech Insights 的电源设备主题专家 Stephen Russell 在公司网络研讨会上表示，“氮化镓确实找到了替代移动设备的硅和 USB-C 充电器的杀手级应用。2021 年是市场接受度的分水岭，我们预计这种势头会持续下去。然而，氮化镓的真正优势在于它的转换能力。在低于 600 V 的电压下，它是唯一可行的硅宽带隙替代品。”

　　所有这些器件都在 650V 容量上竞争激烈，这一点很重要，因为这些器件用于 EV 的 400V 容量总线。

　　电动汽车

　　随着市场的扩大，电动汽车是这些新采用的高带隙设备的关键应用。由于跨部门的快速电气化和对排放的意识增强，这种转变正在发生。它们可以在电机驱动器、DC/DC 转换器、车载充电器等中看到。

　　随着越来越多的制造商转向 800-V EV 系统，由于其高效的高压操作能力，预计 SiC 将在 EV 领域具有优势。过渡到更高电压的系统可实现更高的功率传输，同时保持相同的电流水平。这允许铜导体和其他组件更小、更轻且更便宜。

　　保时捷、奥迪、比亚迪和现代等制造商已经在开发 800-V 电池系统，而 Lucid 正在开发 900-V 系统。正如 Veliadis 所说，“在保持电流不变的情况下移动到 800 V 可以使功率翻倍，同时损失更小。这减少了沉重的铜缆，带来更轻的重量和节省空间的优势。”

　　一旦成功进入电动汽车领域，对 SiC 器件的需求将进一步增加制造。这最终将在大规模生产后降低类似于硅基设备的价格。降低成本是重要的一步，因为这些器件比硅更昂贵，而 SiC 材料的成本几乎是硅的 2 到 3 倍。

　　价格和产量

　　除了高成本之外，制造 SiC 也有其自身的一系列挑战，例如与硅相比存在缺陷和较慢的制造时间，并且 SiC 器件不那么坚固。这阻碍了人们采用基于 SiC 的系统，并且是一个需要克服的挑战。由于其高电压潜力，SiC 器件非常适合部署在高压直流输电和可再生能源系统等电力应用中。例如，在光伏应用中，虽然 SiC 器件成本比硅高 3 倍，但由于无源元件尺寸的减小，整体系统成本更低。

　　半导体行业的市场预测

　　尽管它们面临挑战，但宽带隙器件预计将在许多行业和市场中得到广泛采用。如今，SiC 和 GaN 是仅有的宽禁带半导体材料，具有可用于广泛应用的商用功率器件。根据其设备额定功率，这些材料可以在各种行业中找到应用。

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　　图 2：SiC 晶圆厂基础设施(来源：Victor Veliadis)

　　还有预测显示，到 2027 年，SiC 市场的价值预计将达到 65 亿美元。GaN 器件将主导低功率移动应用行业，预计将有更多器件以高于 20 W/in 的功率密度进入市场。3 . 这些设备有望显着提高效率并为用户提供便利。

　　不幸的是，SiC衬底和硅衬底上的GaN外延生产比硅晶片更复杂和劳动密集，这推高了成本。此外，SiC和GaN市场规模小得多，距离大规模标准化分工还有很长的路要走，因为主要工艺技术掌握在少数精选企业手中。为了克服这些问题，必须量产 SiC 和 GaN，这将带来规模经济成本的降低。

　　本文最初发表于 EE Times。

　　毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥拥有博士学位。在物理学中，是一名电信工程师。他曾参与设计热补偿系统、X 射线微束以及用于通信和电机控制的空间技术的引力波研究领域的各种国际项目。自 2007 年以来，他作为技术作家与多家意大利和英国博客和杂志合作，专攻电子和技术。2015-2018年任Firmware和Elettronica Open Source的主编。Maurizio 喜欢撰写和讲述有关电力电子、宽带隙半导体、汽车、物联网、数字、能源和量子的故事。Maurizio 目前是 Power Electronics News 和 EEWeb 的主编，以及 EE Times 的欧洲记者。他是 PowerUP 的主持人，这是一个关于电力电子的播客。