功率半导体的革命:SiC与GaN的共舞.doc
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1、功率半导体的革命:SiC与GaN的共舞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
2、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1530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
3、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。SiC二极管率先实用化在GaN和SiC功率元件中,率先产品化的是SiC。尤其是SiC二极管的利用今后似会迅猛增加。除了2001年最初实现SiC二极管产品化的德国英飞凌科技外,美国科锐
4、和意法合资公司意法半导体等厂商也已经推出了产品。在日本,罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管(SBD),科锐等部分企业还推出了组合肖特基结和pn结的JBS(juncTIon barrier schottky)构造二极管。基板供求情况好转从事SiC二极管的企业之所以增加,是由于制作功率元件不可缺少的SiC基板的供应状况有了好转。比如,结晶缺陷减少使得SiC基板质量提高,而且基板的大口径化也有了进展。口径为4英寸的产品正逐渐成为主流。2012年还将开始样品供货6英寸产品,2013年似将有望开始量产。另外,基板厂商的增加引发了价格竞争,基板比以前便宜了。从事
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