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用于電力電子的寬禁帶材料前景及現(xiàn)況
2022-06-20

電力電子器件是半導(dǎo)體領(lǐng)域中一個(gè)未被重視的部分。電力電子器件和系統(tǒng)對(duì)幾乎所有依靠電力運(yùn)行的設(shè)備的運(yùn)行都至關(guān)重要。 電力電子器件是用于控制和調(diào)整提供給終端電路的電力的半導(dǎo)體器件。這些器件一般與電阻、電感和電容等無(wú)源元件相連，以完成電源轉(zhuǎn)換。例如，這些系統(tǒng)將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓，在直流電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并運(yùn)行電動(dòng)機(jī)（直流到交流轉(zhuǎn)換）。 近幾十年來(lái)，電力電子技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)提高了每個(gè)電力終端設(shè)備的能效。此外，電力電子技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減碳技術(shù)至關(guān)重要，如LED照明、太陽(yáng)能發(fā)電和電動(dòng)車(chē)。多年來(lái)，使能效驚人增長(zhǎng)的是新的硅半導(dǎo)體器件、轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的創(chuàng)新。電力電子的下一場(chǎng)革命現(xiàn)在正在進(jìn)行中：新材料。 這些半導(dǎo)體，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），被稱(chēng)為寬禁帶（WBG）材料。顧名思義，它們的電子帶隙比傳統(tǒng)的硅要寬。因此，用WBG材料設(shè)計(jì)的電力電子開(kāi)關(guān)比當(dāng)前的主力器件IGBT和MOSFET具有更低的電阻和更高的開(kāi)關(guān)頻率。 雖然經(jīng)常將它們相提并論，但實(shí)際上，SiC和GaN之間有一些重要的區(qū)別。這些差異導(dǎo)致它們各自有一個(gè)單獨(dú)的 “甜蜜點(diǎn)”，即材料最適合的應(yīng)用。 這些材料的實(shí)際晶圓是第一大區(qū)別。硅錠是通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）或物理氣相傳輸（PVT）從單晶種子晶圓生長(zhǎng)出來(lái)的。與硅錠的生成相比，這兩種方法都是高溫和緩慢的。創(chuàng)造SiC晶圓的下一個(gè)挑戰(zhàn)是將硅錠切成盤(pán)狀。SiC是一種非常堅(jiān)硬的材料，即使用金剛石鋸也難以切割。還有其他幾種將硅錠分離成硅晶圓的方法，但這些方法會(huì)引入缺陷到單晶中。 相比之下，GaN襯底不是從GaN錠上切割下來(lái)的。GaN是通過(guò)CVD在硅晶圓上生長(zhǎng)的。在這種情況下，挑戰(zhàn)在于硅和GaN之間的晶格常數(shù)不匹配。各種方法被用來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)力，但有可能出現(xiàn)影響可靠性的缺陷。由于GaN是硅上面的一層，因此GaN功率器件是橫向器件，這意味著源極和漏極在晶圓的同一側(cè)。這與硅和SiC功率開(kāi)關(guān)相反，其主要電流路徑是垂直通過(guò)芯片的。 這兩種材料也有不同的最佳電壓等級(jí)。額定擊穿電壓為100 V左右的GaN器件將用于48 V以下的中壓電源轉(zhuǎn)換。這個(gè)電壓范圍涵蓋云計(jì)算和電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。此外，電源和墻上插座將包含650 V的GaN功率開(kāi)關(guān)，這是適合AC-DC的額定電壓，輸入電壓范圍寬達(dá)90–240 VAC。GaN的高頻率使電源的無(wú)源元件更小，從而使整體解決方案更緊湊。 相比之下，SiC器件設(shè)計(jì)用于650 V和更高電壓。正是在1200 V和更高電壓下，SiC成為各種應(yīng)用的最佳解決方案。像太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)車(chē)充電器和工業(yè)AC-DC等應(yīng)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看都將遷移到SiC。另一個(gè)長(zhǎng)期應(yīng)用是固態(tài)變壓器，當(dāng)前的銅和磁鐵變壓器將被半導(dǎo)體取代。 電力電子的下一場(chǎng)革命已經(jīng)來(lái)臨。新興的碳化硅和氮化鎵寬禁帶材料將有助于使未來(lái)的電力電子器件更高能效、外形更小，用于各種應(yīng)用。 編輯：jq

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