第三代半导体的相关知识点

来源：汽车功率电子

电力电子主流器件是基于硅基的MOSFET、IGBT和晶闸管，经过六十多年的发展，贡献卓越。

但是，目前硅基器件的性能已经逐渐逼近其材料理论极限，进一步提升难度越来越大并且提升空间越来越小，因此具有更优越性能的三代功率半导体材料站了出来。

Si材料性能局限：

导通压降很难再降（决定通态损耗大小）禁带宽度低（影响高温性能）绝缘击穿电场小（影响耐压）饱和漂移速度低（影响开关速度）热导率小（影响热设计）

三代半导体特点

典型三代半导体材料：

SiC（比较成熟，已有产品）GaN（相对成熟，已有产品）β-Ga2O3 （研发中，性能优于以上两种）

对比上边三代半导体材料与Si参数：

以上各参数代表什么意义呢，以SiC为例说明：

禁带宽度：三代半导体相对于Si有更高的禁带宽度，意味着化学键能大，高温晶体结构稳定，表现在功率电子器件上就是高温工作稳定性（简化散热结构）

绝缘击穿电场：三代半导体能承受更高场强，因此可做到更高掺杂浓度，例如，同等电压等级SiC比Si外延层更薄，表现出来就是SiC功率器件有更低的导通电阻a) 减小9/10厚度（相同耐压）b) 增大掺杂浓度（平方成正比）c) 性能更优器件（SBD代替FRD、MOSFET代替IGBT）

饱和漂移速度：更高的载流子饱和漂移速度意味着更高的开关速度，由于SiC的本征载流子浓度非常低且漏电流小，因此SiC器件有着优异的反向恢复特性a) 开关速度更快b) 周边元器件小型化（电感、电容）

导热率：热导率大，易散热a) 热阻更小b) 散热片小型化c) 提高可靠性，减小器件过温失效风险（过温是电力电子器件失效的主要原因之一，占比约70%）

以上特性用雷达图概括一下：

图片来源：2018 ROHM交流会

三代半的难点

三代半的应用领域

SiC偏向于高压、高频、大功率领域应用；GaN则在LED照明、射频器件、激光雷达、及低压高频领域更有前景。

新能源汽车为例，三代半导体有应用前景的领域：

新能源方面：电机控制器DC/DC车载充电机OBC无线充电直流快充其他方面：车灯激光雷达

电机控制器为例说明优势

还记得之前说IGBT诞生的时候，为啥MOS在高压大电流领域被IGBT取代了

要耐高压，Si-MOS就要做的更厚，必然导致关键参数导通电阻Rds(on)增大，导致很大的损耗；现在SiC-MOS可以做薄，把Rds(on)做小，导通损耗降低，这时SiC-MOS更高的开关频率又凸显出更低的开关损耗，对于电动汽车行驶工况来说，在效率上是很有优势的

仿真结果：电动汽车在400V和800V直流母线电压电压下不同半导体技术的WLTP循环下的能耗，可以发现SiC能耗潜力：

来源：Effects of a SiC TMOSFET tractions inverters on the electric vehicle drivetrain PCIM Europe 2018

Tesla Model 3应用SiC-MOS的主逆变器已经量产

SiC产业链公司

小结

在功率电子领域，SiC的应用可以缩小体积，提高效率，是目前公认的一个趋势；就整个产业链而言，目前受原材料及芯片制造产能的制约，尚无法大规模量产。但是，根据硬件摩尔定律，SiC的到来或许比我们想象的要快

机会和挑战并存，希望电动车的发展能快速推动国内IGBT及SiC产业链的发展