功率半导体材料GaN和SiC使用新趋势

　　“功率半导体”多被用于转换器及逆变器等电力转换器进行电力控制。目前，功率半导体材料正迎来材料更新换代，这些新材料就是SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓），二者的物理特性均优于现在使用的Si（硅），作为“节能王牌”受到了电力公司、汽车厂商和电子厂商等的极大期待。将Si换成GaN或SiC等化合物半导体，可大幅提高产品效率并缩小尺寸，这是Si功率半导体元件（以下简称功率元件）无法实现的。

　　目前，很多领域都将Si二极管、MOSFET及IGBT（绝缘栅双极晶体管）等晶体管用作功率元件，比如供电系统、电力机车、混合动力汽车、工厂内的生产设备、光伏发电系统的功率调节器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等。这些领域利用的功率元件的材料也许不久就将被GaN和SiC所替代。

　　例如，SiC已开始用于铁路车辆用马达的逆变器装置以及空调等。

　　电能损失可降低50％以上

　　利用以GaN和SiC为材料的功率元件之所以能降低电能损失，是因为可以降低导通时的损失和开关损失。比如，逆变器采用二极管和晶体管作为功率元件，仅将二极管材料由Si换成SiC，逆变器的电能损失就可以降低15～30％左右，如果晶体管材料也换成SiC，则电能损失可降低一半以上。

　　有助于产品实现小型化

　　电能损失降低，发热量就会相应减少，因此可实现电力转换器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具备两个能使电力转换器实现小型化的特性：可进行高速开关动作和耐热性较高。

　　GaN和SiC功率元件能以Si功率元件数倍的速度进行开关。开关频率越高，电感器等构成电力转换器的部件就越容易实现小型化。

　　耐热性方面，Si功率元件在200℃就达到了极限，而GaN和SiC功率元件均能在温度更高的环境下工作，这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。

　　这些优点源于GaN和SiC具备的物理特性。与Si相比，二者均具备击穿电压高、带隙宽、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点。