问题23 宽禁带半导体器件的优点和缺点有哪些？

目前，在宽禁带半导体器件中常用的材料主要还是SiC和GaN。

相对于Si材料的电力电子器件，宽禁带半导体具有下述显著优势：

①宽禁带半导体电力电子器件具有更低的导通电阻。在击穿电压较低（约50V）时，SiC功率器件的比导通电阻仅有1.12μΩ，约是Si同类器件的1/100。在击穿电压较高（约5kV）时，比导通电阻增大到29.5mΩ，约是Si同类器件的1/300。

②宽禁带半导体电力电子器件具有更高的击穿电压。这是因为SiC器件的击穿电场高。

③宽禁带半导体电力电子器件的工作频率更高。SiC和GaN的饱和电子漂移速率更快，是Si的2倍。因而宽禁带半导体电力电子器件的开关速度更快，开关损耗更低，在中大功率应用场合有望实现Si功率器件难以达到的更高开关频率（≥20kHz），尤其是GaN器件的开关频率可达兆赫兹数量级。

④宽禁带半导体电力电子器件具有更低的结壳热阻。SiC的热导率是Si的3倍以上，因而由它制成的电力电子器件的散热性更好，器件温度上升得更慢。

⑤宽禁带半导体电力电子器件能够在更高的温度下工作。SiC的禁带宽度是Si的2倍以上，SiC电力电子器件的极限工作温度有望达到600℃以上，远高于Si器件的115℃，从而使器件的冷却系统大为简化。

宽禁带半导体材料GaN具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大和化学性质稳定等特点，因此基于GaN材料制造的电力电子器件具有通态电阻小、开关速度快、高耐压及耐高温性能好等特点。与SiC材料不同，GaN除了可以利用GaN材料制作器件外，还可以利用GaN所特有的结构制作高性能器件。GaN可以生长在Si、SiC及蓝宝石上，由于可在价格低、工艺成熟且直径大的Si衬底上生长，GaN具有低成本、高性能的优点，因此受到广大研究人员和电力电子厂商的青睐。

尽管与Si功率器件相比，宽禁带半导体电力电子器件具有诸多优势，但目前仍存在一些限制其广泛应用的不利因素，主要有：

①产量低，成本高。由于SiC存在微管缺陷，难以生产尺寸较大的SiC晶圆，因而SiC晶圆的成本较高。相应地，SiC电力电子器件的价格也远高于Si功率器件。

②器件类型和规格有限。目前，成功实现商业化的SiC功率器件包括SBD、BJT、JFET和MOSFET，且这些器件的功率处理能力较小，型号较少。而广泛应用于大功率场合的IGBT和GTO等器件尚处于试验室开发和测试阶段。

③缺乏高温封装技术。尽管采用SiC材料制造的管芯能够承受很高的工作温度，但目前的封装技术主要针对Si功率器件，大多低于175℃。封装外壳的工作温度限制了SiC功率器件高温性能的发挥。