碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）

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2023-02-21 09:46:25 812

　一旦硅开始达不到电路需求，碳化硅和氮化镓就作为潜在的替代半导体材料浮出水面。与单独的硅相比，这两种化合物都能够承受更高的电压、更高的频率和更复杂的电子产品。这些因素可能导致碳化硅和氮化镓在整个电子市场上得到更广泛的采用。

　　让我们探讨一下碳化硅和氮化镓之间的主要区别，这将有助于我们了解何时最有效地应用这些化合物。

　　碳化硅和氮化镓之间的电气差异

　　我们可以使用几个共同特征来分析半导体晶圆材料的能力。以下每个因素都会影响半导体的性能：

　　宽带隙半导体

　　氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）在带隙和击穿场方面相对相似。氮化镓的带隙为3.2 eV，而碳化硅的带隙为3.4 eV。虽然这些值看起来相似，但它们明显高于硅的带隙。硅的带隙仅为1.1 eV，比镓和碳化硅小三倍。这些化合物的较高带隙允许氮化镓和碳化硅舒适地支持更高电压的电路，但它们不能像硅那样支持低压电路。

　　击穿场强度

　　氮化镓和碳化硅的击穿场相对相似，氮化镓的击穿场为3.3 MV/cm，而碳化硅的击穿场为3.5 MV/cm。与普通硅相比，这些击穿场使化合物明显更好地处理更高的电压。硅的击穿场为0.3 MV/cm，这意味着氮化镓和碳化硅保持更高电压的能力几乎高出十倍。它们还能够使用明显更小的器件支持较低的电压。

　　高电子迁移率晶体管（HEMT）

　　氮化镓和碳化硅之间最显着的区别在于它们的电子迁移率，这表明电子在半导体材料中的移动速度。首先，硅的电子迁移率为1500 cm^2/Vs.氮化镓的电子迁移率为2000 cm^2/Vs，这意味着电子的移动速度比硅的电子快30%以上。然而，碳化硅的电子迁移率为650 cm^2/Vs，这意味着碳化硅的电子比GaN和硅的电子移动得慢。凭借如此高的电子迁移率，GaN几乎是高频应用的三倍。电子可以通过氮化镓半导体比SiC快得多。

　　氮化镓和碳化硅导热系数

　　材料的导热性是其通过自身传递热量的能力。考虑到材料的使用环境，导热系数直接影响材料的温度。在大功率应用中，材料的低效率会产生热量，从而提高材料的温度，并随后改变其电气特性。氮化镓的导热系数为1.3 W/cmK，实际上比硅的导热系数差，硅的导率为1.5 W/cmK。然而，碳化硅的导热系数为5 W/cmK，使其在传递热负荷方面提高了近三倍。这一特性使碳化硅在高功率、高温应用中具有很高的优势。

　　半导体晶圆制造工艺

　　目前的制造工艺是氮化镓和碳化硅的限制因素，因为这些工艺比广泛采用的硅制造工艺更昂贵、精度更低或能源密集。例如，氮化镓在小面积上含有大量的晶体缺陷。另一方面，硅每平方厘米只能包含100个缺陷。在本世纪之前，制造商无法制造出缺陷数低于十亿/厘米的GaN衬底。显然，这种巨大的缺陷率使得GaN效率低下。虽然制造商近年来取得了长足的进步，但GaN仍在努力满足严格的半导体设计要求。

　　功率半导体市场

　　与硅相比，目前的制造技术限制了氮化镓和碳化硅的成本效益，使这两种高功率材料在短期内更加昂贵。然而，这两种材料在特定半导体应用中都具有强大的优势。

　　碳化硅在短期内可能是一种更有效的产品，因为它比氮化镓更容易制造更大、更均匀的SiC晶片。随着时间的推移，鉴于其更高的电子迁移率，氮化镓将在小型高频产品中找到自己的位置。碳化硅在较大的功率产品中将更可取，因为它的功率能力和比氮化镓更高的导热性。了解更多信息并购买各种电源产品，包括氮化镓和碳化硅MOSFET。

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