随着时间的推移，业界对用于实现摩尔定律的硅晶体的特性有了更深入的了解。例如，大约20年前，晶体扭曲工程在晶体管开发中变得至关重要。这项技术利用多层材料局部扭曲硅晶格，从而提高载流子在这些通道中的迁移率。这种晶体工程技术使得非硅和复合半导体重新进入业界。尽管它们具有优异的电学性能，但此前却被认为使用难度过高、成本过高或易碎。.
制造工艺和材料是进步的基础。
例如，氮化镓（GaN）早在半个世纪前就被研究作为半导体材料，但当时用这种材料制造的器件需要使用昂贵且易碎的蓝宝石衬底。如今，GaN薄膜可以在硅晶片表面可靠且完美地生长。这为高性能器件的日益普及铺平了道路。同样，制造工艺的改进也催生了碳化硅（SiC）等硅化合物，其硬度几乎与金刚石相当，并且适用于大规模生产。.
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体的价带和导带之间的带隙是传统硅器件的三倍。这一特性以及其他特性，使它们成为高功率电路的理想选择。这些材料的临界场强是典型硅器件的十倍。因此，它们具有更高的击穿电压，可用于减小电源和其他需要承受高电压和大电流的电路中晶体管的尺寸和成本。.
由于碳化硅（SiC）具有更高的临界场强和击穿电压，因此与硅器件相比，采用SiC的垂直晶体管或二极管的漂移区可以窄得多。这不仅能降低导通电阻，从而显著降低电流流过器件时的功率损耗，还能缩短恢复时间，因为需要清除的少数载流子更少，例如在反向偏置二极管中。例如，WeEn Semiconductors公司的WNSC021200器件的恢复电荷仅为10 nC，远低于硅PiN二极管。.
尺寸和流动性作为未来应用的催化剂
反过来，晶体管尺寸的减小使得栅极电容和输出电容等寄生元件得以减少。这些效应的综合作用使得开关电源及类似电路的开关频率更高。例如，氮化镓（GaN）器件可以处理远高于1 MHz的开关频率。在这样的频率下，还可以使用更小的无源元件，这些元件通常用于平滑开关瞬态。最终实现更小巧、更高效的电源。.
一些制造商，例如 Power Integrations，利用氮化镓 (GaN) 的特性，开发了用于电源开关的集成电路。例如，INN3276C-H204 是一款离线反激式开关 IC，集成了初级侧开关，非常适合恒功率电池充电应用。该器件支持高达 35 W 的输出功率；该公司 PowiGaN 系列的其他产品无需散热器即可支持高达 100 W 的输出功率。.
氮化镓 (GaN) 的另一大优势在于其固有的优异载流子迁移率：比硅高出近 40%。这种高迁移率源于器件材料界面处二维电子气的形成，这是高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的固有特性，也存在于其他材料中，例如砷化镓 (GaAs)。正是由于这种高迁移率特性，GaN 才得以应用于基站和科学仪器等领域。Nexperia 器件正是专为这些市场领域而设计的。.
除了蜂窝通信中的射频应用之外，在快速发展的无线充电领域，射频设计与电源之间的关联也日益密切。例如，AirFuel 标准要求传输频率为 6.78 MHz。英飞凌科技的 CoolGaN 功率晶体管等器件非常适合这些应用中使用的 D 类和 E 类放大器拓扑结构。.
碳化硅 (SiC) 能够承受比硅更高的开关频率，因此被广泛应用于高压医疗设备（例如 X 光机）以及其他功率处理领域。RoHM 的 SCT3 系列等 SiC MOSFET 具有近乎瞬时的开关能力，而 xR 系列则通过改进的 TO-247 封装的四引脚配置进一步增强了这一优势。这种设计应用于 SCT3060ARC14 等器件中，这是一款 39 A、650 V 的 MOSFET，与传统的三引脚封装相比，可将开关损耗降低高达 35%。源漏极与栅极驱动器的独立连接有助于最大限度地减少寄生电感，从而提高电路的开关速度。.
这些宽带隙半导体的另一个关键优势在于其高温工作能力，这带来了显著的尺寸和成本优势。例如，晶体管不需要像硅MOSFET那样使用大型散热器来散热，而硅MOSFET则需要散热器来避免因高导通电阻和高温造成的损耗。碳化硅(SiC)超越了氮化镓(GaN)，能够在超出硅器件工作范围的条件下运行。这使得SiC在汽车、军事和钻井应用电路中越来越受欢迎，因为它可以安装在发动机舱、刹车或钻头附近，并在温度高达200°C时仍能保持功能。为了承受更高的温度，这些器件通常以裸芯片的形式提供，以便集成到专用的高温封装中。然而，许多采用常用封装（例如DPAK或TO-247，由Genesic Semiconductor、Littelfuse和OnSemi等公司生产）的器件，其结温最高可达175°C。.
智能控制以及如何更好地实现氮化镓、碳化硅及相关技术
宽带隙半导体材料的高开关频率使设计人员能够利用新型控制技术，例如阵列转换。阵列转换采用空间矢量调制计算来控制高性能交流电机，其架构可应用于更广泛的电源系统，作为传统拓扑结构更高开关速度的替代方案。在所有这些快速开关电路架构中，栅极驱动器的性能都至关重要。除了开发 CoolGaN 系列功率器件和 CoolSiC 晶体管及二极管之外，英飞凌还投资研发了 EiceDriver 等技术。EiceDriver 是一种栅极驱动器设计，它采用高共模抑制比，使非隔离拓扑结构能够在更广泛的应用中使用，从而降低物料成本。.
对智能控制的需求正推动着高度集成的功率器件的发展，这些器件将微控制器和功率晶体管相结合，并充分利用了基于系统级封装 (SiP) 的制造技术的进步。意法半导体 (STMicroelectronics) 近期发布了 STi2GaN 项目，该项目将采用 BCD 工艺的 GaN 功率级和控制逻辑，以及控制器和隔离电路集成到单个 SiP 中。这些电路元件的紧密耦合有助于将电源设计推向兆赫兹级别，并缩小电路板的整体尺寸。这在电动汽车设计中变得越来越重要，因为电动汽车设计中许多组件必须并联组装，在消费类电池充电器中也是如此。.
随着人们对宽带隙材料的了解不断加深，它们与硅电路的集成将推动各种应用的发展。不难理解为什么许多传统硅器件在众多领域正被取代。像 Farnell 这样经验丰富的技术分销商可以指导工程师们如何最有效地利用 GaN、SiC 及相关技术，以及器件制造商如何通过改进将这些技术融入新的应用。.
作者：Cliff Ortmeyer，Farnell全球技术营销主管
