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碳化硅(Silicon Carbide)是C元素和Si元素形成的化合物。SiC六方结构的4H型SiC(4H-SiC)具有高临界击穿电场、高热传导系数的优势,是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料。SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍,所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。因此,在相同的耐压值情况下,SiC可以得到标准化导通电阻(单位面积导通电阻)更低的器件。例如900V时,SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1,就可以实现相同的导通电阻。
氮化镓,由镓(原子序数 31)和氮(原子序数 7)结合而来的化合物。它是拥有稳定六边形晶体结构的宽禁带半导体材料。相同RDS(on),GaN是普通Si MOSFET面积的一半。这直接使用电路中传导损耗降低50%。在设计中可使用较小的散热器和更简单的热管理。
◼ Si 适用于低压和低频应用,制造成本低
◼ GaN 和 SiC 适用于高频率高效率应用,其中 GaN 比 SiC 频率更高
◼ SiC 过电流能力和散热能力强于 GaN,材料制造成本高
◼ GaN 基于硅衬底,能以较低的成本实现高效率;目前成本高于 Si 器件,但由于效率的明显提升,能够降低系统的使用成本。
氮化镓、碳化硅以及硅材料半导体之间存在诸多差异。首先,氮化镓半导体目前的目标电压范围为 80V 至 650V,在最高开关频率下提供中等功率。氮化镓和碳化硅半导体在最大功率密度下具有非常高的效率,同时开关损耗都比硅基半导体低。
氮化镓与碳化硅功率电子器件半导体之间的差异在于,与氮化镓相比,碳化硅功率半导体具有卓越的栅极氧化物可靠性、出色的易用性,而且非常坚固,采用的是垂直晶体管概念,而氮化镓采用的则是横向晶体管概念。
氮化镓和碳化硅为应用解决方案领域带来了不同的优势。然而,材料优势取决于其应用。例如,碳化硅在高温高压应用中表现优异,如大功率串式逆变器。就高温能力而言,较低的温度系数和高阻断电压能力最能满足应用需求。
在终极功率密度方面,氮化镓更胜一筹。这在结构体积非常有限的应用中尤其如此,例如数据中心的开关电源,因为在特定的空间内,功率水平会增加。这种情况下,效率和高开关频率的结合将应用推向了其他技术难以企及的新水平。
◼ SiC 适用于大功率、高电压,且开关频率和功率密
度高于硅器件
◼ GaN 适用于中等功率,电压通常在100V~900V,
具有最高的开关频率和功率密度。