宽禁带电力电子器件的应用领域及优势分析

从晶闸管问世到IGBT 的普遍应用，电力电子器件经过近60 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，在材料上的使用上始终没有逾越硅的范围。无论是功率MOS 管还是IGBT，它们跟晶闸管和整流二极管一样都是用硅材料制造的器件，但是随着硅材料和硅工艺技术的日趋完善，各种硅器件的性能逐渐趋近其理论极限，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，尤其希望能够更高程度地兼顾器件的功率和频率。因此，硅是不是最适合于制造电力电子器件的材料，具备怎样一些特性的半导体材料更适合于制造电力电子器件，这样的问题在20 世纪的最后十年自然而然地摆在了器件工程师们的面前。

硅的禁带宽度为1.12 eV，而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0 eV 左右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。

（1）碳化硅

研究表明，使用碳化硅制造的电力电子器件，可在硅器件无法承受的高温下长时间稳定工作，其最高工作温度可能超过600 ℃，远远高于硅器件的115 ℃。作为一种典型的宽禁带半导体，碳化硅不但禁带宽，还具有击穿电场强度高、载流子饱和漂移速度高、热导率高、热稳定性好等特点。理论分析表明，用6H-SiC 或4H-SiC 制造功率MOS 管，其通态电阻可能分别只有相同等级硅功率MOS 管的1/100 和1/200，而工作频率却可提高10 倍以上。这就是说，如果用碳化硅制造没有电导调制效应的单极型器件，在阻断电压高达10 kV 的情况下，其通态压降仍然比具有极强电导调制效应的硅双极型器件还低，而单极型器件的工作频率要比双极型器件高得多。

随着直径30 mm 左右的碳化硅晶片在1990 年前后上市，以及高品质6H-SiC 和4H-SiC外延层生长技术紧随其后的成功应用，各种碳化硅电力电子器件的研究和开发蓬勃开展起来。一开始比较集中于肖特基势垒二极管和结性场效应晶体管、MOSFET 之类的单极型器件研究，随后对碳化硅双极型器件展开了研究，主要包括碳化硅双极型晶体管（BJT），碳化硅晶闸管以及碳化硅门极换流自关断晶闸管（GCT）等。尽管碳化硅功率MOS 的阻断电压已能到达10 kV，但作为一种缺乏电导调制的单极型器件，进一步提高阻断电压也会面临不可逾越的通态电阻问题。因此高压大电流器件的希望就寄托在碳化硅BJT 上，特别是既能利用电导调制效应降低通态压降又能利用MOS 降低开关功耗、提高工作频率的碳化硅IGBT 上。

（2）氮化镓(www.xing528.com)

受材料制备和加工技术的限制，目前已成功进入电力电子器件研发领域的宽禁带半导体，除碳化硅外，还有氮化镓。氮化镓的突出优点在于它结合了碳化硅的高击穿电场特性和高频的特征优势，其材料优选因子普遍比碳化硅高，对进一步改善电力电子器件的工作性能，特别是提高工作频率，具有很大的潜力和应用前景。

（3）金刚石

对电力电子器件而言，金刚石的材料优选因子是目前所有材料中最高的。尽管其材料制造十分困难，但还是吸引了不少人去开发截止频率极高的金刚石开关器件。其开发虽然早在20 世纪80 年代初就开始了，但金刚石开关器件的类型还比较单一，主要是SBD 和MOSFET。

对于电力电子技术而言，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降低器件及其辅助电路的功率消耗，从而更加充分地发挥电力电子技术的节能优势，以及兼顾器件的功率、频率和耐高温。不过实现宽禁带半导体电力电子器件的全面应用和市场化还会有一段艰苦的历程。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有较大改善而进入全面推广应用阶段。