硅基器件与宽禁带器件的区别

固体中电子的能量分布是离散的，电子都分布在不连续的能带(Energy Band)上，价电子所在能带与自由电子所在能带之间的间隙称为禁带宽度（Energy Gap），禁带宽度反映了被束缚价电子要成为自由电子所必须获得的额外能量。作为现代电子技术基石的硅材料，其禁带宽度仅为1.12eV，宽禁带半导体材枓是指禁带宽度在3.0eV及以上的半导体材料，基于宽禁带半导体材料制成的器件称为宽禁带器件。典型的宽禁带半导体材料有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、金刚石等，已制成成熟器件的有SiC器件和GaN器件。

图一 硅基器件与宽禁带器件的对比

宽禁带材料具有比硅高得多的临界雪崩电场强度和载流子饱和漂移速度；具有更高的熔点，与不擅长导热的硅相比，宽禁带材料SiC有较高的热导率，因此，宽禁带器件比硅器件有更高的耐受高电压能力，有更好的导热性能和热稳定性，有更强的耐受高温和射线辐射能力，有低得多的通态电阻，有更出色高频特性。

SiC有多种晶型，能隙、击穿电压等半导体特性各不相同，图二列出了4H-SiC材料特性和器件性能（与Si对比），可以看出其器件性能全面优于硅器件。

图二 材料特性与器件性能对应关系

碳化硅晶体材料分为半绝缘型衬底(Substrate)和导电型衬底，与硅基器件不同，碳化硅器件不可直接制作于衬底上，须用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜，即形成外延片，再进一步制成器件。在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，可制得碳化硅外延片，就可进一步制成碳化硅二极管、碳化硅MOSFET等电力电子器件，这些器件能适应高温、高频、高电压工作状态，能满足结构紧凑的高功率密度产品要求，主要用于电动汽车、航空航天等领域。

氮化镓器件比碳化硅器件具有更好的高频特性，但目前只可以在其他材料衬底的基础上实施加工工艺制造相应的器件，主要有Si基和SiC基两种。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，可制得碳化硅基氮化镓外延片，进而制成微波射频器件，以适应高频、高温、高辐射工作环境。主要用在雷达、5G基站、航天通信等环境恶劣、又要高可靠性的领域。

硅基GaN晶体管主要用作电能变换的功率开关，允许其工作于极高的开关频率，这样就可以减小开关电源变压器、电感及电容的容量和体积，近来手机充电器和笔记本电脑的电源适配器也多采用GaN器件，实现了配件的小型化和高效率。

SiC和GaN一般称为第三代半导体，而将氧化镓称为第四代半导体，氧化镓是金属镓的氧化物，其禁带宽度达4.9eV，属超宽禁带半导体，临界击穿电场强度更高，氧化镓基电力电子器件具有高耐压、小尺寸、低损耗等突出优点。

半导体材料日新月异，迄今为止发现的最好半导体材料是立方砷化硼，其对电子和空穴的迁移率都很高(硅的空穴迁移率较差)，更让人惊喜的是，其热导率几乎是硅的10倍，目前热门的SiC功率器件的热导率仅是硅的3倍，研究表明，立方砷化硼也具有非常好的禁带，兼备理想半导体所有主要品质，克服了硅材料的主要缺陷。　　

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