对更高效电子产品的追求集中在功率器件上，而半导体材料处于研发活动的前沿。硅的低成本和广泛的可用性使其在多年前取代锗成为主要的功率半导体材料。
然而，今天，硅正在将其在功率器件中的主导地位让给两种效率更高的替代品：碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。
这些高度创新的材料属于宽带隙 (WBG) 半导体家族。宽带隙半导体非凡的物理和电学特性使这些材料成为满足高频功率应用性能需求的天然材料，包括功率和工作温度极限以及对更快、高效、低损耗开关的不断增长的要求。紧凑的外形尺寸。
最新的宽带隙器件市场分析预测估计，未来 10 年的复合年增长率 (CAGR) 约为 30%，使全球销售额从 2015 年的 2.1 亿美元增加到 2025 年的 37 亿美元。
宽禁带半导体特性及电力电子适用性
宽带隙材料的物理和电学特性决定了用它们构建的功率半导体的功能和应用特性。从物理的角度来看，所有固态元素都有电子，这些电子要么与元素的原子核相连，要么在更高的能级（分别为价带和导带）上自由移动。价带和导带之间的能隙是定义和构建宽带隙半导体的基本物理参数。WBG 材料的巨大带隙转化为更高的击穿电场、更高的工作温度能力和更低的辐射敏感性。
硅
硅的带隙为 1.12 电子伏特；砷化镓，1.4 eV；碳化硅，2.86 eV；和氮化镓，3.4 eV。随着工作温度的升高，价带中电子的热能相应增加，一旦达到特定的阈值温度，就会进入导带。在硅的情况下，从价带跃迁到导带所需的阈值温度为 150°C。由于它们的高能隙，宽带隙半导体可以达到更高的温度，而无需电子积累能量。因此，带隙越大，可持续的半导体工作温度就越高。
与硅相比，SiC 和 GaN 的更高电子迁移率使得使用这些 WBG 材料构建的器件能够以更高的开关速度运行。宽带隙材料可以降低能耗。以热量形式耗散的能量减少不仅可以减少功率损耗，而且还可以实现更小的系统，与硅解决方案相比降低了成本。因此，WBG 半导体比硅等效物更有效。WBG 卓越的功率密度允许使用更紧凑的散热器，并支持更高的工作温度以及更高频率的开关。
开关频率的增加也降低了电感，并随之减小了所需电容器的尺寸。高开关频率可缩小元件尺寸，并显着降低噪音和振动。
Infineon Technologies、NXP Semiconductors 和 STMicroelectronics 等公司正在使用 WBG 材料来适应电动汽车、光电子和其他具有严苛工作条件的应用的新电源设计所涉及的高功率和频率。WBG 功率半导体超越了硅的性能极限，即使在关键的操作环境中也能保证出色的性能。WBG 器件还提供更低的导通电阻、更高的击穿电压以及更高的短期和长期可靠性。WBG 半导体的击穿电场允许更低的漏电流和更高的工作电压。
氮化镓
氮化镓在三种选择（GaN、SiC 和硅）中具有最高的电子迁移率，使其成为所需频率非常高的应用的最佳材料。就其本身而言，碳化硅具有比硅或 GaN 更高的热导率。因此，SiC 在高温应用中具有效率优势，因为它最大限度地提高了导热能力，从而提高了可实现的功率密度。由于其高熔点和高导热性，SiC 可以在比硅更高的温度下工作。SiC 在具有高电压和电流值的功率应用中是首选材料，而 GaN 仍然是射频领域的主要材料，其中电压不会达到非常高的值但击穿电场更高。
碳化硅技术
SiC 技术可以在高达 1,700 V 的电压下工作。因此，在能源、工业和运输领域，SiC 器件几乎完全取代了硅绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。与此同时，GaN 半导体可以在高达 600 V 的电压下工作。基于 GaN 的 MOSFET 和肖特基二极管的损耗低于基于硅 IGBT 技术的器件。
CoolSiC MOSFET。
英飞凌科技表示，其 CoolSiC 系列可让工程师开发具有最佳系统成本/性能比的全新产品设计。英飞凌正在大批量生产全面的 1,200-V CoolSiC MOSFET 产品组合。这些器件的额定值为 30 mΩ 至 350 mΩ，采用 TO247-3 和 TO247-4 外壳。
STPOWER 产品组合基于宽带隙材料的先进特性
恩智浦为蜂窝基础设施以及工业和国防市场提供 GaN-on-SiC 解决方案。随着蜂窝市场转向更高的频率和功率水平，WBG 技术提供最先进的射频性能来简化 5G 部署。NXP GaN 技术还支持国防和工业行业的高频操作
MMRF5021H 125-W CW GaN-on-SiC 晶体管。
随着硅在功率和频率方面的应用达到极限，GaN 和 SiC 技术在电力电子应用中占据主导地位，它们的特性适合对紧凑、重量轻、高效率和高密度功率的要求。技术挑战依然存在，特别是在降低成本和总散热方面，在半导体的情况下，这源于传导和开关损耗。工程师必须处理 SiC 碳化物部分的一些缺陷，并克服氮化镓制造过程中更关键的问题。
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