高性能宽禁带半导体材料电力电子器件

从晶闸管问世到IGBT的普遍应用，电力电子器件近40年的长足发展，其表现基本上都是器件原理和结构上的改进和创新，在材料的使用上始终没有逾越硅的范围。无论是功率MOSFET还是IGBT，它们跟晶闸管和整流二极管一样都是硅制造的器件。但是，随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件的性能逐渐接近其理论极限，而电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出更高的要求，尤其希望器件的功率和频率能够得到一定程度的兼顾。因此，硅是不是制造电力电子器件的最佳材料以及具备何种特性的半导体材料更适合于制造电力电子器件的问题，成为21世纪电力电子器件工程师们的热门研究课题。

我们知道，固体中电子的能量具有不连续的量值，电子都分布在一些相互之间不连续的能带（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或带隙（Energy Gap或Band Gap）。所以禁带的宽度实际上反映了被束缚的价电子要成为自由电子所必须额外获得的能量。硅的禁带宽度为1.12 eV（电子伏特），而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0 eV及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。

作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅不但具有击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，或在一般应用中实现硅器件难以达到的效果。使用碳化硅制造的电力电子器件，有可能将半导体器件的极限工作温度提高到600 °C以上，至少可以在硅器件难以承受的高温下长时间稳定工作。不仅如此，在额定阻断电压相同的前提下，碳化硅功率开关器件不但具有通态电阻低的优点，其工作频率一般也比硅器件高10倍以上。因此，包含微波电源在内的电力电子技术有可能从碳化硅材料的实用化得到的好处不仅有整体性能的改善，同时还有整机体积的大幅度缩小，以及对工作环境的广泛适应能力。(www.xing528.com)

使用宽禁带半导体制造电力电子器件的第一优势是容易提高开关器件，特别是高频大电流器件的耐压能力。对电力电子技术而言，使用宽禁带半导体并不仅仅在于提高了器件的耐压能力，更重要的还在于能够大幅度地降低器件及其辅助电路的功率消耗，从而使电力电子技术的节能优势得以更加充分的发挥。宽禁带半导体材料的电力电子器件的另一优势是能够兼顾器件的功率和频率，以及耐高温。这些正好都是电力电子技术的进一步发展对器件提出的基本要求，而硅和砷化镓在这些方面都有很大的局限性。

宽禁带半导体电力电子器件的诞生和长足发展是电力电子技术的一次革命性进展。人们期待着宽禁带半导体电力电子器件在成品率、可靠性和价格等方面的较大改善，从而进入全面推广的阶段。不久的将来，性能优越的各种宽禁带半导体电力电子器件会逐渐成为电力电子技术的主流器件，从而极有可能引发电力电子技术的一场新的革命。