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碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）

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2023-02-21 09:46:25 855

　一旦硅開始達不到電路需求，碳化硅和氮化鎵就作為潛在的替代半導體材料浮出水面。與單獨的硅相比，這兩種化合物都能夠承受更高的電壓、更高的頻率和更復雜的電子產品。這些因素可能導致碳化硅和氮化鎵在整個電子市場上得到更廣泛的采用。

　　讓我們探討一下碳化硅和氮化鎵之間的主要區別，這將有助于我們了解何時最有效地應用這些化合物。

　　碳化硅和氮化鎵之間的電氣差異

　　我們可以使用幾個共同特征來分析半導體晶圓材料的能力。以下每個因素都會影響半導體的性能：

　　寬帶隙半導體

　　氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）在帶隙和擊穿場方面相對相似。氮化鎵的帶隙為3.2 eV，而碳化硅的帶隙為3.4 eV。雖然這些值看起來相似，但它們明顯高于硅的帶隙。硅的帶隙僅為1.1 eV，比鎵和碳化硅小三倍。這些化合物的較高帶隙允許氮化鎵和碳化硅舒適地支持更高電壓的電路，但它們不能像硅那樣支持低壓電路。

　　擊穿場強度

　　氮化鎵和碳化硅的擊穿場相對相似，氮化鎵的擊穿場為3.3 MV/cm，而碳化硅的擊穿場為3.5 MV/cm。與普通硅相比，這些擊穿場使化合物明顯更好地處理更高的電壓。硅的擊穿場為0.3 MV/cm，這意味著氮化鎵和碳化硅保持更高電壓的能力幾乎高出十倍。它們還能夠使用明顯更小的器件支持較低的電壓。

　　高電子遷移率晶體管（HEMT）

　　氮化鎵和碳化硅之間最顯著的區別在于它們的電子遷移率，這表明電子在半導體材料中的移動速度。首先，硅的電子遷移率為1500 cm^2/Vs.氮化鎵的電子遷移率為2000 cm^2/Vs，這意味著電子的移動速度比硅的電子快30%以上。然而，碳化硅的電子遷移率為650 cm^2/Vs，這意味著碳化硅的電子比GaN和硅的電子移動得慢。憑借如此高的電子遷移率，GaN幾乎是高頻應用的三倍。電子可以通過氮化鎵半導體比SiC快得多。

　　氮化鎵和碳化硅導熱系數

　　材料的導熱性是其通過自身傳遞熱量的能力?？紤]到材料的使用環境，導熱系數直接影響材料的溫度。在大功率應用中，材料的低效率會產生熱量，從而提高材料的溫度，并隨后改變其電氣特性。氮化鎵的導熱系數為1.3 W/cmK，實際上比硅的導熱系數差，硅的導率為1.5 W/cmK。然而，碳化硅的導熱系數為5 W/cmK，使其在傳遞熱負荷方面提高了近三倍。這一特性使碳化硅在高功率、高溫應用中具有很高的優勢。

　　半導體晶圓制造工藝

　　目前的制造工藝是氮化鎵和碳化硅的限制因素，因為這些工藝比廣泛采用的硅制造工藝更昂貴、精度更低或能源密集。例如，氮化鎵在小面積上含有大量的晶體缺陷。另一方面，硅每平方厘米只能包含100個缺陷。在本世紀之前，制造商無法制造出缺陷數低于十億/厘米的GaN襯底。顯然，這種巨大的缺陷率使得GaN效率低下。雖然制造商近年來取得了長足的進步，但GaN仍在努力滿足嚴格的半導體設計要求。

　　功率半導體市場

　　與硅相比，目前的制造技術限制了氮化鎵和碳化硅的成本效益，使這兩種高功率材料在短期內更加昂貴。然而，這兩種材料在特定半導體應用中都具有強大的優勢。

　　碳化硅在短期內可能是一種更有效的產品，因為它比氮化鎵更容易制造更大、更均勻的SiC晶片。隨著時間的推移，鑒于其更高的電子遷移率，氮化鎵將在小型高頻產品中找到自己的位置。碳化硅在較大的功率產品中將更可取，因為它的功率能力和比氮化鎵更高的導熱性。了解更多信息并購買各種電源產品，包括氮化鎵和碳化硅MOSFET。

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