從夜晚睡前插上的手機充電器，再到早上出行搭乘的電動汽車，我們的日常生活，處處都有第三代半導體的影子。今天我們談到第三代半導體，大家很快就能說出氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）這兩個耳熟能詳的名字，也正是他們優異的物理性能，讓兩者迅速成為了電力電子器件的中流砥柱。
納微半導體作為全球氮化鎵行業的領導者，成功發貨70000000顆，並成功打入全球頭部消費電子品牌全球行業排名前十的手機和筆電生產廠商供應鏈，以及面向零售市場的第三方配件商，已經讓氮化鎵走入千家萬戶，讓GaNFast™的速度惠及無數消費者。
不過今天，我們不聊氮化鎵，今天的納微小課堂我們用四個問題向大家展示另一位第三代半導體的強力選手——碳化矽。
問：什麼是碳化矽（SiC）？
答：碳化矽（SiC）由矽（原子序數14）和碳（原子序數6），形成類似於金剛石的強共價鍵，是一種堅固的六方結構化合物，具有寬禁帶半導體特性。帶隙是將電子從圍繞原子核的軌道上釋放所需的能量，在 3.26 eV 時，碳化矽的禁帶能隙幾乎是矽的三倍，因此被稱為「寬」禁帶或WBG。
碳化矽的晶體結構
（圖片來源：researchgate.net）
由于禁帶能隙決定了材料可以承受的電場及其能正常運行的速度，碳化矽更寬的禁帶能隙使得能夠開發出比傳統矽在更高頻率和更高電壓下運行的半導體。此外，碳化矽的化學性質使其具有比矽更好的導熱性和熱穩定性，使其成為一種在高壓和高溫應用中提供一致、可靠性能的理想半導體材料。
問：為什麼碳化矽（SiC）如此重要？
答：寬禁帶半導體，如碳化矽（SiC）由於其能夠在廣泛的應用中提供顯著改善的性能，同時與傳統的矽技術相比，降低了提供相同性能所需的能量和物理空間，因此其重要性日益增加。
為什麼選擇碳化矽功率器件？
在某些應用場景中，作為功率轉換平台的矽已經達到其物理極限，因此碳化矽技術正變得至關重要，而在其他應用中，碳化矽把效率、開關速度、尺寸、重量和更冷、高溫、高壓運行等多種優點結合起來，使其越來越具有吸引力。
問：碳化矽（SiC）的使用場景在哪裡？
答：碳化矽（SiC）半導體被部署在各種各樣的使用場景中，這些場景要求在小尺寸、高功率密度的設計中實現穩健的高電壓、高性能，同時還需要能不受溫度影響，穩定可靠地運行。
這些包括AC-DC整流器和功率因數校正（PFC）電路、電池充電器、DC-DC轉換器、DC-AC逆變器和變頻器，應用範圍從電動汽車（EV）和牽引控制到數據中心架構，以及需要1000–1500 VDC操作的太陽能逆變器。
納微半導體的GeneSiC系列產品還支持600-3300 V功率電晶體和整流器產品，用於要求耗電控制、通信、計算、推進和健康監測系統的航空航天和石油鑽井應用。
GeneSiC的系列產品中器件的溫度魯棒性和抗輻射性能，使得這些電路元件可以在極端溫度和高輻射環境下工作。GeneSiC部件的低導通電阻和低開關損耗確保了更高的能量轉換效率，同時提供了各種功能，如過載/短路保護、過壓保護、同步、過熱保護和並聯運行能力，以及帶來了低諧波失真、噪聲和EMI發射。
問：碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）相比如何？
答：這是大家都非常關注的問題，先說結論：各有千秋，相輔相成。
與禁帶為1.12eV（電子伏特）的矽相比，氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）作為化合物半導體，他們的禁帶是矽禁帶的3倍，分別為3.39eV和3.26eV。這意味著他們都可以支持更高的電壓和更高的頻率，儘管這兩種技術之間存在許多差異，影響它們的工作方式和使用領域。
矽、氮化鎵和碳化矽的應用設計參數
氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）之間的一個區別是電子遷移率方面的速度——電子在半導體材料中遷移的速度。在2000cm²/Vs時，氮化鎵的電子遷移率比Si快30%，而碳化矽的電子遷移度為650cm²/Vs。這些差異在決定每種技術為目標應用程式發揮了不同的作用。
氮化鎵（GaN）更高的電子遷移率使其更適合於高性能、高頻的應用，在相同應用場合下，尤其是因為氮化鎵占據的晶片面積比較小，故晶片等效的輸入輸出的電容比較低，容易實現更高的開關頻率（這就是為什麼氮化鎵半導體廣泛用於在千兆赫茲範圍內切換的RF器件）。
另一方面，碳化矽（SiC）具有較高的熱導率和較低的頻率操作，更適合於更高功率的應用，包括電動汽車和數據中心、一些太陽能設計、鐵路牽引、風力渦輪機、網格分布與工業和醫療成像，這些需要很高的電壓下運行，並擁有優良的散熱性能，但不總是需要進行高頻開關的場景。
顯然，對於功率處理和快速充電，氮化鎵和碳化矽都是優於傳統矽的材料。650V額定電壓的氮化鎵提供了更快的開關、集成和更低的成本，並針對高達20kW的應用進行了優化。碳化矽具有更高的電壓和溫度特性，使其成為1000V以上器件和20MW以下應用的更優選擇。
這四個問題看完，大家是否對碳化矽有了些許興趣？接下來的兩期文章，納微將帶大家進一步挖掘碳化矽和氮化鎵的市場發展潛力。