如何化解第三代半導體的應用痛點

在集成電路和分立器件領域，硅始終是應用最廣泛、技術最成熟的半導體材料，但硅材料技術的成熟恰恰意味著難以突破瓶頸。為了打破固有屏障，半導體產業(yè)進一步深入對新材料、新工藝、新架構的探索。憑借著在功率、射頻應用中的顯著性能優(yōu)勢，第三代半導體逐漸顯露出廣闊的應用前景和市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

【導讀】在集成電路和分立器件領域，硅始終是應用最廣泛、技術最成熟的半導體材料，但硅材料技術的成熟恰恰意味著難以突破瓶頸。為了打破固有屏障，半導體產業(yè)進一步深入對新材料、新工藝、新架構的探索。憑借著在功率、射頻應用中的顯著性能優(yōu)勢，第三代半導體逐漸顯露出廣闊的應用前景和市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

所謂第三代半導體，即禁帶寬度大于或等于2.3eV的半導體材料，又稱寬禁帶半導體。常見的第三代半導體材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AIN）、氧化鋅（ZnO）和金剛石等，其中又以碳化硅和氮化鎵材料技術的發(fā)展最為成熟。與第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料通常具備更寬的禁帶寬度、更高的擊穿場強、更高的熱導率，電子飽和速率和抗輻射能力也更勝一籌，在高溫、高壓、高頻、高功率等嚴苛環(huán)境下，依然能夠保證性能穩(wěn)定。

圖1：第三代半導體的材料特性

（圖源：STMicroelectronics）

從應用領域來看，第三代半導體材料廣泛應用于射頻器件、光電器件、功率器件等領域。以功率半導體市場為例，據(jù)TrendForce集邦咨詢報告，在新能源汽車、光伏儲能、智能電網等市場需求拉動下，預計2025年第三代半導體功率市場規(guī)模將增至47.1億美元，年復合增長率高達45%。從下游細分市場來看，由于材料性能不盡相同，碳化硅與氮化鎵在應用場景上也略有差異。碳化硅具備更高的熱導率，主要面向新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網等高壓、高功率應用；而氮化鎵則以其更高的電子遷移率，高頻特性較好，廣泛應用于PD快充、新能源充電樁、5G通信等領域。

圖2：碳化硅及氮化鎵應用優(yōu)勢領域

（圖源：英飛凌）

整體而言，碳化硅、氮化鎵器件市場已經初具規(guī)模，在功率和射頻應用領域完成了對硅基半導體器件的初步替代。但由于材料制備技術、器件制造與封裝工藝、動靜態(tài)測試、驅動設計優(yōu)化以及可靠性等問題尚未完全解決，導致第三代半導體器件的性能大打折扣，無法完全發(fā)揮其材料本身的優(yōu)勢。關鍵技術不成熟、成本居高不下，第三代半導體器件自然難以實現(xiàn)更大規(guī)模的商業(yè)化落地。下面我們就從碳化硅、氮化鎵器件的應用痛點出發(fā)，梳理一下國際大廠是如何攻克這些難題的。

優(yōu)化封裝技術突破開關性能限制

與硅功率半導體相比，碳化硅功率器件擁有更快的開關速度、更小尺寸和更低損耗，有望在諸多應用中取代IGBT。然而受限于傳統(tǒng)封裝技術，碳化硅功率器件的性能優(yōu)勢難以完全得到發(fā)揮。傳統(tǒng)封裝形式通常采用TO-247N，柵極引腳和源極引腳的寄生電感將會與寄生電容發(fā)生振蕩，從而使MOSFET導通所需的柵極電壓降低，導通速度減慢。為此，一些廠商正在尋求更完善的封裝方案，以優(yōu)化器件性能，進一步挖掘碳化硅器件潛力。

貿澤電子在售的來自制造商ROHM Semiconductor的SCT3080KW7TL，是一款7引腳SiC功率MOSFET。SCT3080KW7TL采用了TO-263-7L表貼封裝，將電源源極與驅動器源極引腳分離開，可提供獨立于電源的驅動器源，有效消除了導通時源極電感對柵極電壓的影響。導通時，電流變化時間縮減，導通損耗降低；關斷時，寄生電感減少，關斷損耗也相應降低。此外，SCT3080KW7TL專有的溝槽式柵極結構將導通電阻降低了50%，輸入電容降低了35%。

圖3：SiC MOSFET平面結構與溝槽結構性能比較

（圖源：羅姆）

具體來看，SCT3080KW7TL漏源極擊穿電壓為1.2kV，連續(xù)漏極電流為30A，具有很低的漏源導通電阻，數(shù)值為104mΩ。獨立式驅動器源極也讓SCT3080KW7TL驅動更加簡單便捷、易于并聯(lián)，有助于進一步降低應用設備的功耗。在太陽能逆變器、DC/DC轉換器、開關電源、電機驅動等領域，SCT3080KW7TL已經取得了廣泛應用。

ROHM Semiconductor另一款也在貿澤有售的BM2SC121FP2-LBZE2，則是一款準諧振AC/DC轉換器IC。該芯片同樣采用了小型表貼封裝TO-263-7L，內部集成了1700V耐壓SiC MOSFET及其柵極驅動電路。與Si-MOSFET相比，BM2SC121FP2-LBZE2將AC/DC轉換器控制IC、800V耐壓Si-MOSFET、齊納二極管、電阻器和散熱板集成在一個封裝內，極大地削減了部件數(shù)量，在小型化方面極具競爭優(yōu)勢。同時，該芯片內置了高精度過熱保護功能，實現(xiàn)了更高的可靠性能。

圖4：BM2SC12xFP2-LBZ應用電路

（圖源：羅姆）

此外，BM2SC121FP2-LBZE2采用了電流檢測電阻作為外部器件，IC設計簡單且高度靈活。控制電路采用準諧振方式，運行噪聲低、效率高、可軟啟動，可充分降低EMI。整體而言，BM2SC121FP2-LBZE2為大功率逆變器、AC伺服等工業(yè)設備提供了低成本、小型化、高可靠性、高效率的AC/DC轉換器解決方案。

調整驅動設計降低功率損耗

作為柵極電壓控制器件，MOSFET柵極驅動電壓的振蕩直接影響著元器件的可靠性，更甚至會造成電路故障或失效。MOSFET器件在轉換過程中，柵極與漏極之間的米勒電容將會誘發(fā)米勒振蕩，干擾柵源極電壓上升，從而延長了開關切換時間，導通損耗大幅增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性也隨之降低。對于SiC MOSFET而言，其出色的開關速度和性能更是加劇了米勒導通效應。因此，如何減少米勒電容、降低米勒效應的影響，成為各大廠商迫切需要解決的難題。

對此，貿澤電子在售的來自STMicroelectronics的SCTH35N65G2V-7AG提供了一種效果顯著的解決方案。SCTH35N65G2V-7AG采用了STMicroelectronics第二代碳化硅MOSFET技術，具有極低的導通電阻和優(yōu)異的開關性能。該器件漏源極擊穿電壓為650V，漏源導通電阻最大67mΩ，柵極電荷和輸入電容極小，廣泛應用于開關電源、DC/DC轉換器和工業(yè)電機控制等領域。

為了緩解米勒效應，SCTH35N65G2V-7AG采用了有源米勒鉗位技術，在瞬態(tài)電壓額定值低于20V/ns時，有效地抑制了米勒振蕩，減少了開關的錯誤導通率，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在較高瞬態(tài)電壓下，SCTH35N65G2V-7AG則通過在柵源極使用齊納保護限制振鈴，進一步優(yōu)化電路輸出波形。

此外，與傳統(tǒng)IGBT相比，在相同額定電壓和等效導通電阻下，SCTH35N65G2V-7AG表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的耐高溫、低損耗性能，適用于高開關頻率應用場景，可減小無源元件的尺寸。同時，SCTH35N65G2V-7AG的導通損耗與關斷損耗均不受結溫影響。溫度從25℃上升至175℃時，該器件的導通電阻變化率明顯低于競爭產品。

圖5：導通電阻隨溫度的變化

（圖源：STMicroelectronics）

STMicroelectronics另一款貿澤在售的單柵極驅動器STGAP2SICSNTR為中高功率應用提供了一個易于使用的驅動方案。該器件可在柵極驅動銅導與低壓控制接口電路間提供電流隔離，具備4A與軌到軌輸出能力。STGAP2SICSNTR提供了兩種不同的配置選項，第一配置具有獨立輸出引腳，通過使用專用的柵極電阻器獨立優(yōu)化導通和關斷。第二種配置則具備單輸出引腳和米勒鉗位功能，抑制了半橋拓撲結構高速轉換時產生的柵極尖峰?？傮w而言，STGAP2SICSNTR為功率轉換和電機驅動器逆變器等工業(yè)應用提供了高度靈活、成本低廉的設計方法。

圖6：STGAP2SICSNTR兩種配置電路框圖

（圖源：STMicroelectronics）

STGAP2SICSNTR內置了UVLO和熱關斷保護功能，可針對SiC MOSFET進行值優(yōu)化。通過雙輸入引腳選擇控制信號極性，實現(xiàn)硬件互鎖保護，避免控制器故障時發(fā)生交叉輸出，可幫助工程師輕松設計高可靠性系統(tǒng)，提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和抗干擾能力。

此外，STGAP2SICSNTR高壓軌高達1,700V，全溫度范圍內dv/dt瞬變抗擾性在100V/ns左右，輸入輸出延遲低于75ns，PWM控制精度較高，能夠有效提高系統(tǒng)精度。

貿澤電子在售的STMicroelectronics GaN半橋高壓驅動器MASTERGAN1TR，采用電源系統(tǒng)級封裝，集成了半橋柵極驅動器和兩個增強型高壓GaN晶體管，為開關電源、充電器、太陽能發(fā)電、UPS系統(tǒng)、高壓PFC、DC/DC和DC/AC轉換器等應用提供了簡單緊湊的解決方案。

圖7：MASTERGAN1TR電路框圖

（圖源：Mouser）

MASTERGAN1TR還內置了集成式功率分流器和自舉二極管，漏源導通電阻約150mΩ，漏源擊穿電壓為650V，可為嵌入式柵極驅動器快速供電。同時提供UVLO保護和互鎖保護，避免電源開關在低效率或危險條件下工作。

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總結

隨著新能源汽車、電力電網和5G通信等領域迅速發(fā)展，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體憑借著其在高壓、高溫、高頻應用中的優(yōu)勢，逐漸顯露出對硅基半導體的替代作用。然而受限于傳統(tǒng)封裝工藝、驅動設計等技術瓶頸，第三代半導體器件散熱、可靠性方面都面臨著新的難題和挑戰(zhàn)。

面對這些應用痛點，貿澤在售的多種類型的功率器件及模塊、門驅動器在封裝工藝和驅動技術方面進行了創(chuàng)新和優(yōu)化，打破了傳統(tǒng)技術的限制，最大限度地挖掘了寬禁帶半導體材料的性能優(yōu)勢，推動寬禁帶半導體器件更大規(guī)模的商業(yè)化應用落地。

技術發(fā)展日新月異，半導體產業(yè)對于新材料及材料技術的追求從未止步，超寬禁帶半導體材料逐漸走進人們的視野。以氧化鎵（GaO）為例，與碳化硅和氮化鎵相比，該材料的帶隙更寬、擊穿場強更高，在大功率、高頻率、高電壓設備中擁有更高的應用價值和更廣闊的發(fā)展前景。跟隨技術演進方向，貿澤也將不斷擴展產品類目，豐富解決方案，全面助力寬禁帶、超寬禁帶半導體的發(fā)展。

審核編輯 黃昊宇