GaN HEMT（氮化鎵高電子遷移率晶體管）、Si MOSFET（硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和SiC MOSFET（碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是三種不同的功率半導(dǎo)體器件，各自在不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
如果想要說明白這三種功率器件的應(yīng)用區(qū)別，首先要做的是搞清楚這三種功率器件的材料特性，然后再根據(jù)他們的工作特性和發(fā)展方向分析具體應(yīng)用。
一、從材料分類來講
Si、SiC 和 GaN 這三種半導(dǎo)體材料各自具有獨(dú)特的特性：
硅作為第一代半導(dǎo)體材料的代表，發(fā)展最為成熟。其價(jià)格便宜、導(dǎo)電性好，性質(zhì)優(yōu)越且工藝技術(shù)比較成熟，適合做低功耗的應(yīng)用。短板是不耐高壓。
碳化硅（SiC）是一種由碳和硅元素構(gòu)成的先進(jìn)半導(dǎo)體材料，屬于第三代半導(dǎo)體。它以其接近鉆石的高硬度（莫氏硬度13）和卓越的高溫穩(wěn)定性而聞名。SiC在高溫下能維持低漏電流和高電子遷移率，同時(shí)具備優(yōu)異的熱導(dǎo)率和強(qiáng)大的耐壓能力。這些特性使其在高壓和高功率的電子應(yīng)用中表現(xiàn)卓越。
氮化鎵（GaN），作為第三代半導(dǎo)體材料的佼佼者，以其出色的物理特性引領(lǐng)著電子器件的未來。GaN的禁帶寬度是硅的三倍多，甚至略高于碳化硅（SiC），而且在電子遷移率、熱導(dǎo)率、硬度和熔點(diǎn)等方面的優(yōu)勢顯著。此外，GaN還展現(xiàn)出強(qiáng)大的抗輻照能力。這些屬性讓GaN在光電子、高溫高功率器件以及高頻微波器件等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，成為全球半導(dǎo)體研究的熱點(diǎn)和前沿。
Si、SiC 和 GaN三種半導(dǎo)體材料性能對(duì)比
二、從工作特性來看
GaN HEMT、Si MOSFET和SiC MOSFET這三種功率器件各自具有獨(dú)特的工作特性：
（1） Si MOSFET是電壓控制的場效應(yīng)器件，一般普通的硅基MOS管最多能耐受900V。具有較低的導(dǎo)通電阻、較快的開關(guān)速度、較大的跨導(dǎo)以及較高的可靠性等。Si MOSFET的導(dǎo)通電阻隨溫度升高而升高，具有正溫度系數(shù)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，Si MOSFET的性能不再能滿足需求。
（2） SiC MOSFET以其高壓、高頻和卓越的開關(guān)性能而著稱，適合應(yīng)用于1KV以上的高電壓環(huán)境。芯干線科技推出的SiC MOS功率器件，耐壓等級(jí)覆蓋1200V至3300V，為大功率電源設(shè)計(jì)提供了理想選擇。相較于傳統(tǒng)的硅絕緣柵雙極晶體管（Si IGBT），SiC MOSFET在相同耐壓等級(jí)下體積更小，開關(guān)損耗更低，效率更高，尤其在充電和續(xù)航性能上表現(xiàn)突出。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET還具備更低的導(dǎo)通電阻和更高的工作溫度范圍，結(jié)溫可達(dá)200℃，這些特性使其在高溫環(huán)境下也能保持穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步增強(qiáng)了其在高性能電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
（3） 氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）以其寬帶隙半導(dǎo)體材料的特性，實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度和效率。橫向結(jié)構(gòu)的GaN HEMT器件，電子遷移率較硅基器件提升了40%。開關(guān)頻率高，沒有內(nèi)部PN結(jié)，寄生參數(shù)小，同時(shí)又耐高壓、抗輻射、高電子遷移率，這些特性使得GaN HEMT在高頻和高功率應(yīng)用中表現(xiàn)出色，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、通訊基站和高精度雷達(dá)系統(tǒng)中。GaN HEMT已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的關(guān)鍵組件，推動(dòng)著電力電子、通信和雷達(dá)等技術(shù)的進(jìn)步。
芯干線科技GaN HEMT的優(yōu)勢如下：
更高的開關(guān)頻率：最高可達(dá)兆赫茲及以上
更好的溫升特性：自有專利技術(shù)的封裝設(shè)計(jì)、散熱能力強(qiáng)、器件更安全可靠
更好的EMI特性：獨(dú)家專利的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有利于減小驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路、設(shè)計(jì)簡單
更靈活的PCB布板：自有專利的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、布板更靈活
更低的成本：優(yōu)化了版圖設(shè)計(jì)、提升了性能、良率更高、成本更低
芯干線GaN產(chǎn)品以獨(dú)特的優(yōu)勢，獲得了用戶的好評(píng)和市場的認(rèn)可。公司于2023年率先實(shí)現(xiàn)了E-MODE工藝2KW GaN充電器的量產(chǎn)。
三、從功率器件替代發(fā)展方向來講
硅基MOSFET（Si MOSFET）在功率半導(dǎo)體市場占有率較高，其技術(shù)路線涵蓋平面型、溝槽型和超結(jié)型。特別是超結(jié)型硅基MOSFET，成為高壓、小內(nèi)阻的硅基 MOSFET主流類型，在高電壓、大功率的應(yīng)用場景中，具有一定的市場占用率。
碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）以其卓越的高溫、高壓和高頻特性，成為MOSFET技術(shù)發(fā)展的最新趨勢。SiC MOSFET主要替代硅基絕緣柵雙極晶體管（Si IGBT），廣泛應(yīng)用于6KW以上的高功率密度電源設(shè)計(jì)。
氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）則以其高頻化和小體積設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，逐漸替代1KV以內(nèi)的功率硅基MOSFET，推動(dòng)電源設(shè)計(jì)向更高頻、更高功率密度的方向發(fā)展。這些技術(shù)進(jìn)步不斷推動(dòng)著電子設(shè)備性能的提升和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。
寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用取代
四、從應(yīng)用方向來講
隨著第三代功率半導(dǎo)體技術(shù)的引入，電源產(chǎn)品正朝著高頻化、小型化和高效化方向發(fā)展。
硅基MOSFET（Si MOSFET）在電源管理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和汽車電子系統(tǒng)中扮演著重要角色。隨著新能源汽車和光伏發(fā)電等市場的迅猛增長，對(duì)Si MOSFET的需求也在不斷上升，在高壓、高溫和高頻應(yīng)用中，其性能可能受到限制。
碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）以其高功率密度、高頻率和高溫耐受性，特別適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車、戶外電源、光伏逆變器和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等高要求領(lǐng)域。特別是在汽車行業(yè)，許多制造商已經(jīng)開始將電機(jī)系統(tǒng)中的硅基IGBT模塊替換為SiC模塊，特斯拉便是其中的先行者。隨著新能源市場的蓬勃發(fā)展，SiC MOSFET的應(yīng)用前景愈發(fā)廣闊。
氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）則以其高頻工作能力和高電子遷移率，成為千瓦級(jí)以下電源產(chǎn)品的理想選擇。其低導(dǎo)通電阻在高頻開關(guān)和功率放大領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，有效解決了行業(yè)痛點(diǎn)，并滿足了未來電源系統(tǒng)對(duì)高效率和高功率密度的需求。
芯干線SiC MOSFET功率器件應(yīng)用
芯干線GaN HEMT功率器件應(yīng)用
第三代半導(dǎo)體材料，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），以其卓越的性能彌補(bǔ)了硅（Si）晶體的某些不足。盡管如此，硅晶體的成熟生產(chǎn)工藝仍具有不可替代的優(yōu)勢。因此，在半導(dǎo)體應(yīng)用中，常通過兼容手段將硅和第三代半導(dǎo)體結(jié)合，充分利用各自的優(yōu)勢，生產(chǎn)出更高性能的產(chǎn)品，如高可靠性和高速度的國防軍事設(shè)備。因此，第一、三代半導(dǎo)體是一種長期共同的狀態(tài)。
每種功率器件都有其獨(dú)特的工作特性，適用于不同的應(yīng)用場景：
- 硅基MOSFET（Si MOSFET）：因其成本較低，適合用于成本敏感的低端低功耗消費(fèi)電子產(chǎn)品。
- 氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）：適合小體積、中小功率、高頻和高功率密度的應(yīng)用。
- 碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）：則更適用于高溫、高壓的大功率應(yīng)用。
總體而言，GaN HEMT、Si MOSFET和SiC MOSFET各自在特定領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿ΑｋS著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的增長，這三種功率器件將繼續(xù)推動(dòng)電力電子和射頻技術(shù)的發(fā)展，滿足未來更高效、更緊湊的電子設(shè)備需求。
