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氮化镓（GaN）与碳化硅（SiC）之间的差异
氮化镓（GaN）与碳化硅（SiC）之间的差异
几十年来，硅在晶体管领域一直占据主导地位。然而，这一局面正在逐渐改变。由两种或三种材料组成的化合物半导体已经开发出来，它们具有独特的优势和卓越的特性。例如，我们利用化合物半导体开发出了发光二极管（LED）。其中一种由砷化镓（GaAs）和磷化砷化镓（GaAsP）组成。其他类型则使用铟和磷。挑战在于化合物半导体的制造难度更大，成本也更高。然而，与硅相比，它们具有显著优势。更新、要求更高的应用，如汽车电气系统和电动汽车（EV），发现化合物半导体能更好地满足其严格的规格要求。
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率晶体管是两种已崭露头角的化合物半导体器件解决方案。这些器件与长寿命硅功率横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）MOSFET和超结MOSFET展开了竞争。氮化镓和碳化硅器件在某些方面相似，但也存在显著差异。本文对这两种器件进行了比较，并提供了一些示例，以帮助您为下一个设计做出决策。
图1展示了常见的高压、大电流晶体管和其他器件的功率容量与开关频率之间的关系，以及它们的主要应用。
宽禁带半导体
化合物半导体被称为宽带隙（WBG）器件。在不深入探讨晶格结构、能级和其他复杂的半导体物理知识的情况下，我们可以简单地说，WBG定义是一种试图描述电流（电子）在化合物半导体中流动方式的模型。
宽禁带（WBG）化合物半导体具有更高的电子迁移率和更高的带隙能量，相较于硅具有更优越的特性。由宽禁带化合物半导体制成的晶体管具有更高的击穿电压和更高的耐高温能力。这些器件在高电压和高功率应用中比硅更具优势。
图2: 双管芯双场效应晶体管（FET）共源共栅电路将氮化镓（GaN）晶体管转换为常关器件，从而在高功率开关电路中实现标准的增强模式操作。
与硅相比，宽禁带（WBG）晶体管还具有更快的开关速度，可在更高频率下运行。较低的“导通”电阻意味着它们消耗的功率更低，从而提高了能效。这些特性的独特组合使这些器件在汽车应用中一些要求最高的电路中颇具吸引力，尤其是混合动力和电动汽车。
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）晶体管正日益普及，以应对汽车电子设备的挑战。氮化镓和碳化硅器件的主要卖点在于其以下优势：
具备高电压能力，可提供650 V、900 V和1200 V的器件。
切换速度更快。
更高的工作温度。
较低的导通电阻，最大限度地减少功耗，提高能效。
氮化镓晶体管
在射频（RF）功率领域，氮化镓（GaN）晶体管早已发现了商业机遇。这种材料的特性使得耗尽型场效应晶体管（FET）得以开发。耗尽型（或D型）FET，即伪晶高电子迁移率晶体管（pHEMT），是自然“开启”的器件；无需栅极控制输入，就存在自然导电通道。栅极输入信号控制通道的导电性，从而控制器件的开启与关闭。
由于在开关应用中通常处于“关闭”状态的增强模式（或E模式）器件更受欢迎，因此推动了E模式氮化镓（GaN）器件的发展。最初，这是通过两个场效应晶体管（FET）器件的共源共栅配置实现的（图2）。现在，已有标准的E模式GaN器件可供使用。它们能够在高达10 MHz的频率下进行开关，功率水平可达数十千瓦。
氮化镓（GaN）器件在无线设备中作为功率放大器被广泛应用，其工作频率可达100吉赫兹。其主要应用场景包括蜂窝基站功率放大器、军用雷达、卫星发射机以及通用射频（RF）放大器。然而，由于其具备高电压（可达1000伏）、耐高温和快速切换的特性，它们也被广泛应用于各种开关电源应用中，如直流-直流（DC-DC）转换器、逆变器和电池充电器。
碳化硅晶体管
碳化硅（SiC）晶体管天生就是E型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。这些器件能够在高达1兆赫的频率下进行开关操作，其电压和电流水平远高于硅MOSFET。最大漏极-源极电压可达约1800伏，电流能力为100安培。此外，碳化硅器件的导通电阻远低于硅MOSFET，从而在所有开关电源应用（SMPS设计）中实现了更高的能效。一个主要的缺点是，它们需要比其他MOSFET更高的栅极驱动电压，但随着设计的改进，这已不再是一个显著问题。
碳化硅（SiC）器件需要18至20伏的栅极电压来驱动并开启低导通电阻的器件。而标准硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）则只需不到10伏的栅极电压即可完全开启。此外，碳化硅器件需要-3至-5伏的栅极驱动电压才能切换至关闭状态。然而，为了满足这一需求，已经开发出了专用的栅极驱动集成电路。碳化硅MOSFET通常比其他替代品更昂贵，但其高压、大电流的特性使其非常适合汽车电源电路。
WBG晶体管竞赛
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）器件都在与其他成熟的半导体器件竞争，尤其是硅横向双扩散金属氧化物半导体（LDMOS）场效应晶体管（MOSFET）、超级结MOSFET和绝缘栅双极性晶体管（IGBT）。在许多应用中，这些较旧的器件正逐渐被GaN和SiC晶体管所取代。
例如，在许多应用中，IGBT正被SiC器件所取代。SiC器件能够在更高的频率下切换（100 kHz+对比20 kHz），从而在提高能效的同时，减小电感器或变压器的尺寸和成本。此外，与GaN相比，SiC能够处理更大的电流。
总结GaN和SiC之间的对比，关键点如下：
氮化镓（GaN）的开关速度比硅更快。
碳化硅（SiC）的工作电压高于氮化镓（GaN）。
碳化硅（SiC）需要较高的栅极驱动电压。
超结MOSFET正逐渐被氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）所取代。碳化硅似乎最受车载充电器（OBC）的青睐。随着工程师们发现更新的器件并积累使用经验，这一趋势无疑将继续下去。
汽车应用
许多电源电路和设备都可以利用氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）进行设计和改进。其中，汽车电气系统是最大的受益者之一。现代混合动力和电动汽车中包含的设备可以利用这些材料。一些流行的应用包括车载充电器（OBC）、直流-直流转换器、电机驱动器和激光雷达（LiDAR）。图3列出了电动汽车（EV）中需要大功率开关晶体管的主要子系统。
图3. 用于混合动力和电动汽车的宽禁带（WBG）车载充电器（OBC）。交流输入经过整流、功率因数校正（PFC），然后进行DC-DC转换（一个输出用于为高压电池充电，另一个用于为低压电池充电）。
直流-直流转换器
这是一个电源电路，它将高电池电压转换为较低的电压，以为其他电气设备供电。目前，电池电压可高达600V或900V。DC-DC转换器将其降低至48V或12V，或者同时降低至48V和12V，以供其他电子元件运行（图3）。在混合动力电动汽车（HEVs）和电动汽车（EVs）中，DC-DC转换器还可用于电池组和逆变器之间的高压总线。
车载充电器（OBCs）
插电式混合动力汽车和电动汽车都配备有一个内部电池充电器，该充电器可连接至交流电源。这样，无需外部的交流-直流（AC-DC）充电器，即可在家中为车辆充电。（见图4）。
主驱动电机驱动
主驱动电机是一台高输出交流电机，用于驱动车辆的车轮。驱动装置是一个逆变器，它将电池电压转换为三相交流电来驱动电机运行。
激光雷达
激光雷达（LiDAR）是一种结合了光学和雷达技术来探测和识别周围物体的技术。它使用脉冲红外激光扫描360度区域并探测反射光。这些信息被转换成大约300米范围内的详细三维图像，分辨率可达几厘米。其高分辨率使其成为车辆（尤其是自动驾驶车辆）的理想传感器，有助于提高对附近物体的识别能力。激光雷达设备的工作直流电压范围为12-24伏，该电压由直流-直流转换器（DC-DC converter）提供。
图4：典型的直流-直流（DC-DC）转换器用于将高电池电压转换为12伏和/或48伏。高压桥中使用的绝缘栅双极晶体管（IGBT）正逐渐被碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）所取代。
由于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）晶体管具有高电压、高电流和快速开关的特性，它们为汽车电气设计师提供了灵活性，使设计更为简洁，同时性能更优。
上一：线圈尺寸与布局对12英寸碳化硅单晶生长感应炉温度场影响的研究
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