一、宽禁带半导体

宽禁带半导体材料也称为第三代半导体材料是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石（C）等为主的宽禁带材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点，非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

在此之前的半导体材料发展阶段为：第一代元素半导体，主要包括以硅（Si）、锗（Ge）为代表的单质半导体，其中锗最先被研究且应用，但由于其造价较高，稳定性较差，主要应用于部分发光二极管、太阳能电池中。硅基材料是目前主流逻辑芯片和功率器件的基础，以硅基半导体材料开创了功率半导体元器件MOSFET和IGBT等为代表的固态电子时代，也是目前电力电子领域应用最为广泛的半导体材料；第二代化合物半导体，主要指二元/三元化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP），其主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件，应用领域主要包括卫星通信、移动通信、光通信、GPS导航等。

二、禁带宽度

禁带宽度(Band gap)是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(ev))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电），自由空穴存在的能带称为价带（亦能导电）。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

作为现代电子技术基石的硅材料，其禁带宽度仅为1.12eV，宽禁带半导体材枓是指禁带宽度在3.0eV及以上的半导体材料，基于宽禁带半导体材料制成的器件称为宽禁带器件。已制成成熟器件的有SiC器件和GaN器件。

三、宽禁带半导体的优势

第三代宽禁带功率半导体器件的优势主要表现在：（1）导通电阻是硅器件的近1/1000（在相同的电压/电流等级下），可以大大降低器件的导通损耗；（2）开关频率是硅器件的10余倍，可以大大减小电路中储能元件的体积，从而成倍地减小设备体积，减少贵重金属等材料的消耗；（3）理论上可以在600℃以上的高温环境下工作，并有抗辐射的优势，可以大大提高系统的可靠性，在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值。

四、宽禁带半导体的应用

1. SiC器件应用成果

SiC功率器件在电力转换需求频繁、对电力转换组件有体积或质量要求、相对高温的使用环境上有得天独厚的优势。

在新能源汽车领域，采用SiC功率器件可以提升电池的能量利用率，同时可减少电力转化模块的体积和质量、节省散热组件，从而实现整车轻量化，综合来看，使新能源汽车在同样的电池容量下实现了更高的续航里程。另外，在高频次使用的直流充电桩上更适合应用SiC功率器件，以降低电能损耗、节省充电桩体积、提高充电速率、延长设备使用寿命。

在绿色能源领域，光伏发电并入电网需要将直流电逆变成交流电，这个过程需要功率器件参与，采用SiC功率器件可直接提升电能的转化效率，增加其并网发电收入。风力发电的电能转换过程需要经过整流、逆变两步，采用SiC功率器件能更好地提升风能的利用效率。同时，SiC功率器件更耐受极端环境，更适合光伏、风力发电领域。

在轨道交通领域中，已有多家公司和科研院所都关注SiC器件在牵引变流器系统中的应用研究，一些机构已经将产品市场化并在轨道列车上安装运行。得益于已有的解决方案，与传统系统相比，铁路车辆系统的总能耗降低了约30%。与具有IGBT功率模块的传统逆变器系统相比，尺寸和质量减小约65%，与具有SiC二极管的现有混合逆变器系统相比减小约30%。

在大型服务器、数据中心中，因为SiC功率器件在电能转换上的高效率、耐高温、使用寿命长的特性，在IT应用中能节省大量能耗、替换维护成本。

此外，在家电、军工、航空航天、工业控制、智能电网等诸多领域SiC功率器件也有初步使用或研发跟进，总体上市场对高性能的SiC功率器件保持持续的需求增长状态。

2. GaN器件的应用成果

GaN功率器件具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，且制造成本得到控制，目前已经在新能源汽车、半导体照明、新一代移动通信和消费电子领域中得到广泛应用。

由GaN制成的充电器可以做到更高的功率密度，随着生产成本迅速下降，GaN快充有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。

在射频微波领域，GaN也有非常大的优势。采用GaN功率器件能够有效地改善发射天线的设计，减少发射组件的数目和放大器的级数等，有效降低雷达发射系统的成本。目前，GaN已经开始取代GaAs作为新型雷达和干扰机的T/R模块电子器件材料。

在5G领域，GaN功率器件已成为5G基站中的功率放大器和其他射频器件的重要支撑点。GaN具有较宽的禁带宽度及利用蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化，蓝光LED的开发则竞争非常激烈。

在探测器方面，研究还处于起步阶段，GaN探测器将在导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域有重要应用，目前已研制出GaN紫外探测器。

在激光器方面，GaN基激光器可以实现蓝、绿和紫外激光器的制造：紫色激光器可用于制造大容量光盘，还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用；蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起，实现全真彩显示，使激光电视实现广泛应用。

目前，第三代宽禁带功率半导体器件已经在智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域得到应用，并展现出良好的发展前景。国际领先企业已经开始市场布局，全球新一轮的产业升级已经开始，正在逐渐进入第三代半导体时代。

来源： 西安众力为半导体科技有限公司