【功率半导体】（二）：SiC和GaN为何适作功率元件

【新闻链接】

【功率半导体】（一）：功率半导体成为节能王牌

利用“Dressed光子”，让Si及SiC发出各种颜色的光

超高精细影像“4K×2K”技术开发悄然兴起

电装推出可用iPhone寻找钥匙等的钥匙链

Jawbone将上市可记录睡眠及运动状况的手环“UP”

大幅降低单极性元件的导通电阻

功率电子产品的设计人员所追求的功率元件是，虽为开关损失很小的单极性元件，却可像硅双极元件一样实现较小的导通电阻。如果能从开关损失的问题中解放出来，就能设置较高的工作频率。如果开关频率能够高于听觉频率上限20kHz，便可降低噪声。而且，还能实现电容器及电感器等外围部件的小型化，因此也有助于实现功率电子产品的小型轻量化及低价格化。

要满足这些要求，可以采用物性更适合功率元件的新材料。那就是是带隙达到硅的三倍的宽带隙半导体材料SiC和GaN（表1）。这些材料拥有很大的带隙，也就是说要生成电子空穴对需要很大的能量，因此很难因碰撞电离现象而出现雪崩击穿。这样便可拥有十倍于硅的击穿电场强度。如果击穿电场强度较大，便可在高浓度掺杂杂质的薄层保持耐压，因此可以降低导通电阻。

从上述公式可以看出，导通电阻会随着击穿电场强度呈三次方变化，因此通过使用SiC和GaN，可以大幅降低导通电阻。综合考虑迁移率及介电常数来计算，在耐压相同的情况下，可使导通电阻降至硅的1/300～1/1000（图4）。

图4 降低导通电阻 SiC具备十倍于硅的击穿电场强度。击穿电场强度越大，就越能以高浓度掺杂杂质的薄层来保持耐压，所以可降低导通电阻。如果以耐压1200V的MOSFET来估算，通过使用SiC，可使导通电阻降至1/500。

因此，如果采用SiC或GaN，即便是数kV耐压的元件，也不需要依赖电导率调制，单极性元件SBD或MOSFET可以实现足够低的导通电阻。当然，600～900V的功率元件也能比硅元件大幅降低导通电阻。