寬禁帶半導體的定義

寬禁帶半導體是指其禁帶寬度大于傳統半導體材料（如硅、鍺等）的一類半導體。1931 年，威爾遜(A.H.Wilson)在結合前人研究成果下主張提出晶體中電子的能級會分裂成能帶，不同晶體的能帶數目及寬度均不相同，提出能帶論，根據能帶被電子占據的情況，把能帶分為價帶（滿帶）、禁帶和導帶（空帶）。對于包括半導體在內的晶體，其中的電子既不同于真空中的自由電子，也不同于孤立原子中的電子。真空中的自由電子具有連續的能量狀態，即可取任何大小的能量；而原子中的電子是處于所謂分離的能級狀態。晶體中的電子是處于所謂能帶狀態，能帶是由許多能級組成的，能帶與能帶之間隔離著禁帶，電子就分布在能帶中的能級上，禁帶是不存在公有化運動狀態的能量范圍。半導體最高能量的、也是最重要的能帶就是價帶和導帶。導帶底與價帶頂之間的能量差即稱為禁帶寬度(或者稱為帶隙、能隙)。若禁帶寬度 Eg>2.3eV 則稱為寬禁帶半導體，如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)等。

寬禁帶半導體的特點

寬禁帶半導體具有以下顯著特點：

·         優越的電學性能：寬禁帶意味著電子躍遷到導帶所需的能量更大，這使得寬禁帶半導體材料能承受更高的電壓和溫度。例如，碳化硅、氮化鎵相對于傳統的 Si MOSFET、IGBT 等器件具有更強的耐高壓和耐高溫能力。

·         高能效和低損耗：在相同的充電情況下，使用寬禁帶半導體器件的電動汽車能夠行駛得更遠，因為其器件能夠實現更低的損耗。

·         優越的高頻特性：GaN 電子器件在襯底材料上外延生長勢壘層/溝道層材料，該結構可以實現高密度和高遷移率（速度）的 2DEG，這是實現微波和大功率半導體器件的關鍵。

·         溫度穩定性：半導體禁帶寬度隨溫度能夠發生變化，寬禁帶半導體的禁帶寬度具有負的溫度系數，當溫度升高時，晶體的原子間距增大，能帶寬度雖然變窄，但禁帶寬度卻是減小的。這一特點在某些應用中是優點，但在半導體器件及其電路中也可能是弱點。

寬禁帶半導體的應用領域

目前，寬禁帶半導體器件已經在多個領域得到應用，并展現出良好的發展前景：

·         智能電網：寬禁帶半導體器件能夠提高電網的效率和穩定性。

·         電動汽車：有助于提升電動汽車的續航里程和充電速度。

·         軌道交通：增強軌道交通系統的性能和可靠性。

·         新能源并網：優化新能源發電的接入和管理。

·         開關電源：提高電源的轉換效率和功率密度。

·         工業電機：實現電機的高效運行和精確控制。

·         家用電器：如空調、冰箱等，降低能耗和提高性能。

常見的寬禁帶半導體材料

常見的寬禁帶半導體材料包括：

·         碳化硅（SiC）：是目前發展較為成熟的寬禁帶功率半導體材料，具有高熱導率、高擊穿電場等優點。

·         氮化鎵（GaN）：在高頻、高功率應用方面表現出色。

·         氮化鋁（AlN）：具有良好的絕緣性能和熱穩定性。

·         氧化鋅（ZnO）：在光電領域有一定的應用潛力。

寬禁帶半導體的發展趨勢

寬禁帶半導體的發展呈現出以下趨勢：

·         市場需求增長：隨著 5G、汽車等新市場的出現，對寬禁帶半導體的需求不斷增加，SiC/GaN 不可替代的優勢使得相關產品的研發與應用加速。

·         成本降低：隨著制備技術的進步，SiC 與 GaN 器件與模塊的成本逐漸降低，使其在更多領域得到應用。

·         技術創新：不斷探索新的材料和結構，以提高性能和拓展應用范圍。

·         應用拓展：從傳統的電力電子、光電子領域向更廣泛的領域如航空航天、醫療等拓展。

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