寬禁帶半導體：聊聊碳化矽（大量乾貨！）

有網友讓微碧來聊聊第三代寬禁帶半導體。

目前第三代半導體主要是：碳化矽SiC、氮化鎵GaN、氧化鋅ZnO這三種。

而碳化矽是近幾年關注度較高的半導體器件，它主要應用在工業，光伏，汽車領域。特別是在電車應用方面，碳化矽可是賺了不少“大錢”。今天我們主要來瞭解“碳化矽”這個東西。

碳化矽：碳和矽結合而來，它是一種人工合成的半導體材料，碳化矽襯底為p型半導體，帶正電，與常規的矽mos管導通原理一樣。

（高電平：導通 低電平：截止）

不過，相比矽mos，碳化矽的功率性能可就要強很多了。

為什麼叫“寬禁帶半導體”呢？

一般我們衡量半導體性能優勢的重要參考數值，就是它的禁帶寬度。

矽的禁帶寬度大概在1.1電子伏特，而碳化矽的禁帶寬度與它相差將近3倍，幾乎高達3.2電子伏特，這便是寬禁帶的由來。

那這個“禁帶寬度”有什麼作用呢？

這是因為禁帶越寬，越難導電。

VBsemi在網上找到這張圖就可以很好的說明，禁帶越寬，它的性質就越偏向絕緣體，而碳化矽正是這樣的存在，這使它的性質會更穩定。

特別是在面積、功耗、功率、電子遷移率、高壓高溫等要素裏，碳化矽有較大的優勢。

比如說，耐壓方面，擊穿1cm的矽需要用到30萬伏電壓，而擊穿碳化矽就需要用到220萬伏電壓。

還有面積方面，當mos管斷開後，電壓施加在碳化矽襯底上，由於其耐壓優勢，碳化矽的器件面積可以比矽器件小很多。

熱導率和耐高溫也是碳化矽的“有名之處”，這也是它應用在電車的很大原因，碳化矽的熱導率幾乎是矽mos的三倍，這意味著它的散熱能力很強。

在高溫環境下，碳化矽器件的工作溫度可以高達200℃以上，而矽器件只有150攝氏度。

此外，碳化矽器件的高開關速度與高頻率的優勢，大大降低了開關損耗，這使得它比同樣在電車應用方面的IGBT，更加略勝一籌！

比如，在同一輛續航電車上，使用碳化矽器件就可以增加百分之五的續航能力。

近幾年各大汽車企業紛紛投資起了碳化矽，連華為都頻頻出手。碳化矽這麼好，難道沒有其他的缺點了？

有，貴。

目前碳化矽的產業鏈主要幾種在外延和襯底上，最為關鍵的技術就是襯底（碳化矽），佔據將近47%的成本。

與矽將比將高出4倍左右，這主要是生產方面的問題。

1. 碳化矽對工藝方面的要求是比較嚴格的；

2. 它的晶圓尺寸很小，具備生產能力的廠家並不多，產能也在上升階段；

3. 碳化矽太硬了，其硬度僅次於金剛石。

這個成本原因，會讓矽器件依舊成為市場的長期選擇。

那第三代半導體碳化矽最終能否取代矽？

在一部分應用領域，碳化矽是可以替代的。

不過，並不能是“取代”一說，因為兩者之間不具備連貫性，僅僅只是材料不同，但應用方面各有千秋。矽mos與相關的中低壓功率mos器件，在一些超低壓和中低壓領域依舊具備較大的優勢。而碳化矽mos則主要應用在高溫高壓場景，並不會有太大的衝突。

此外，碳化矽目前主要用於功率器件，由於其柵極電壓較高，目前也不會應用在積體電路方面。當然，科技更新迭代的速度飛快，這並不會是局限的理由。

最後我們順帶講下氮化鎵GaN。

前兩天在群裏有夥伴，提到GaN目前已經應用在部分工業領域上。

但事實上，相比碳化矽SiC，氮化鎵GaN的應用範圍是很少的，並且，它的應用大多數在超高頻領域，驅動技術是個大難題，會經常遇到一些誤導通，浮游電感等問題。

種種原因，使GaN在短期內也不能夠代替矽。

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