問題23 寬禁帶半導體器件的優點和缺點有哪些？

目前，在寬禁帶半導體器件中常用的材料主要還是SiC和GaN。

相對于Si材料的電力電子器件，寬禁帶半導體具有下述顯著優勢：

①寬禁帶半導體電力電子器件具有更低的導通電阻。在擊穿電壓較低（約50V）時，SiC功率器件的比導通電阻僅有1.12μΩ，約是Si同類器件的1/100。在擊穿電壓較高（約5kV）時，比導通電阻增大到29.5mΩ，約是Si同類器件的1/300。

②寬禁帶半導體電力電子器件具有更高的擊穿電壓。這是因為SiC器件的擊穿電場高。

③寬禁帶半導體電力電子器件的工作頻率更高。SiC和GaN的飽和電子漂移速率更快，是Si的2倍。因而寬禁帶半導體電力電子器件的開關速度更快，開關損耗更低，在中大功率應用場合有望實現Si功率器件難以達到的更高開關頻率（≥20kHz），尤其是GaN器件的開關頻率可達兆赫茲數量級。

④寬禁帶半導體電力電子器件具有更低的結殼熱阻。SiC的熱導率是Si的3倍以上，因而由它制成的電力電子器件的散熱性更好，器件溫度上升得更慢。

⑤寬禁帶半導體電力電子器件能夠在更高的溫度下工作。SiC的禁帶寬度是Si的2倍以上，SiC電力電子器件的極限工作溫度有望達到600℃以上，遠高于Si器件的115℃，從而使器件的冷卻系統大為簡化。

寬禁帶半導體材料GaN具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場大和化學性質穩定等特點，因此基于GaN材料制造的電力電子器件具有通態電阻小、開關速度快、高耐壓及耐高溫性能好等特點。與SiC材料不同，GaN除了可以利用GaN材料制作器件外，還可以利用GaN所特有的結構制作高性能器件。GaN可以生長在Si、SiC及藍寶石上，由于可在價格低、工藝成熟且直徑大的Si襯底上生長，GaN具有低成本、高性能的優點，因此受到廣大研究人員和電力電子廠商的青睞。

盡管與Si功率器件相比，寬禁帶半導體電力電子器件具有諸多優勢，但目前仍存在一些限制其廣泛應用的不利因素，主要有：

①產量低，成本高。由于SiC存在微管缺陷，難以生產尺寸較大的SiC晶圓，因而SiC晶圓的成本較高。相應地，SiC電力電子器件的價格也遠高于Si功率器件。

②器件類型和規格有限。目前，成功實現商業化的SiC功率器件包括SBD、BJT、JFET和MOSFET，且這些器件的功率處理能力較小，型號較少。而廣泛應用于大功率場合的IGBT和GTO等器件尚處于試驗室開發和測試階段。

③缺乏高溫封裝技術。盡管采用SiC材料制造的管芯能夠承受很高的工作溫度，但目前的封裝技術主要針對Si功率器件，大多低于175℃。封裝外殼的工作溫度限制了SiC功率器件高溫性能的發揮。