【導讀】在集成電路和分立器件領(lǐng)域，硅始終是應用最廣泛、技術(shù)最成熟的半導體材料，但硅材料技術(shù)的成熟恰恰意味著(zhù)難以突破瓶頸。為了打破固有屏障，半導體產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步深入對新材料、新工藝、新架構的探索。憑借著(zhù)在功率、射頻應用中的顯著(zhù)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(chǎng)發(fā)展潛力。
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(chēng)寬禁帶半導體。常見(jiàn)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(shù)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(chǎng)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定。
圖1：第三代半導體的材料特性
（圖源：STMicroelectronics）
從應用領(lǐng)域來(lái)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(lǐng)域。以功率半導體市場(chǎng)為例，據TrendForce集邦咨詢(xún)報告，在新能源汽車(chē)、光伏儲能、智能電網(wǎng)等市場(chǎng)需求拉動(dòng)下，預計2025年第三代半導體功率市場(chǎng)規模將增至47.1億美元，年復合增長(cháng)率高達45%。從下游細分市場(chǎng)來(lái)看，由于材料性能不盡相同，碳化硅與氮化鎵在應用場(chǎng)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(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)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(lǐng)域。
圖2：碳化硅及氮化鎵應用優(yōu)勢領(lǐng)域
（圖源：英飛凌）
整體而言，碳化硅、氮化鎵器件市場(chǎng)已經(jīng)初具規模，在功率和射頻應用領(lǐng)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(shù)、器件制造與封裝工藝、動(dòng)靜態(tài)測試、驅動(dòng)設計優(yōu)化以及可靠性等問(wèn)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(wú)法完全發(fā)揮其材料本身的優(yōu)勢。關(guān)鍵技術(shù)不成熟、成本居高不下，第三代半導體器件自然難以實(shí)現更大規模的商業(yè)化落地。下面我們就從碳化硅、氮化鎵器件的應用痛點(diǎn)出發(fā)，梳理一下國際大廠(chǎng)是如何攻克這些難題的。
優(yōu)化封裝技術(shù)突破開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)速度、更小尺寸和更低損耗，有望在諸多應用中取代IGBT。然而受限于傳統封裝技術(shù)，碳化硅功率器件的性能優(yōu)勢難以完全得到發(fā)揮。傳統封裝形式通常采用TO-247N，柵極引腳和源極引腳的寄生電感將會(huì )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(chǎng)商正在尋求更完善的封裝方案，以?xún)?yōu)化器件性能，進(jìn)一步挖掘碳化硅器件潛力。
貿澤電子在售的來(lái)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(dòng)器源極引腳分離開(kāi)，可提供獨立于電源的驅動(dòng)器源，有效消除了導通時(shí)源極電感對柵極電壓的影響。導通時(shí)，電流變化時(shí)間縮減，導通損耗降低；關(guān)斷時(shí)，寄生電感減少，關(guān)斷損耗也相應降低。此外，SCT3080KW7TL專(zhuān)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(lái)看，SCT3080KW7TL漏源極擊穿電壓為1.2kV，連續漏極電流為30A，具有很低的漏源導通電阻，數值為104mΩ。獨立式驅動(dòng)器源極也讓SCT3080KW7TL驅動(dòng)更加簡(jiǎn)單便捷、易于并聯(lián)，有助于進(jìn)一步降低應用設備的功耗。在太陽(yáng)能逆變器、DC/DC轉換器、開(kāi)關(guān)電源、電機驅動(dòng)等領(lǐng)域，SCT3080KW7TL已經(jīng)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(dòng)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(gè)封裝內，極大地削減了部件數量，在小型化方面極具競爭優(yōu)勢。同時(shí)，該芯片內置了高精度過(guò)熱保護功能，實(shí)現了更高的可靠性能。
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(jiǎn)單且高度靈活?？刂齐娐凡捎脺手C振方式，運行噪聲低、效率高、可軟啟動(dòng)，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(dòng)設計降低功率損耗
作為柵極電壓控制器件，MOSFET柵極驅動(dòng)電壓的振蕩直接影響著(zhù)元器件的可靠性，更甚至會(huì )造成電路故障或失效。MOSFET器件在轉換過(guò)程中，柵極與漏極之間的米勒電容將會(huì )誘發(fā)米勒振蕩，干擾柵源極電壓上升，從而延長(cháng)了開(kāi)關(guān)切換時(shí)間，導通損耗大幅增加，系統穩定性也隨之降低。對于SiC MOSFET而言，其出色的開(kāi)關(guān)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(chǎng)商迫切需要解決的難題。
對此，貿澤電子在售的來(lái)自STMicroelectronics的SCTH35N65G2V-7AG提供了一種效果顯著(zhù)的解決方案。SCTH35N65G2V-7AG采用了STMicroelectronics第二代碳化硅MOSFET技術(shù)，具有極低的導通電阻和優(yōu)異的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源、DC/DC轉換器和工業(yè)電機控制等領(lǐng)域。
為了緩解米勒效應，SCTH35N65G2V-7AG采用了有源米勒鉗位技術(shù)，在瞬態(tài)電壓額定值低于20V/ns時(shí)，有效地抑制了米勒振蕩，減少了開(kāi)關(guān)的錯誤導通率，提高了系統穩定性。在較高瞬態(tài)電壓下，SCTH35N65G2V-7AG則通過(guò)在柵源極使用齊納保護限制振鈴，進(jìn)一步優(yōu)化電路輸出波形。
此外，與傳統IGBT相比，在相同額定電壓和等效導通電阻下，SCTH35N65G2V-7AG表現出更加優(yōu)秀的耐高溫、低損耗性能，適用于高開(kāi)關(guān)頻率應用場(chǎng)景，可減小無(wú)源元件的尺寸。同時(shí)，SCTH35N65G2V-7AG的導通損耗與關(guān)斷損耗均不受結溫影響。溫度從25℃上升至175℃時(shí)，該器件的導通電阻變化率明顯低于競爭產(chǎn)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(dòng)器STGAP2SICSNTR為中高功率應用提供了一個(gè)易于使用的驅動(dòng)方案。該器件可在柵極驅動(dòng)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(guò)使用專(zhuān)用的柵極電阻器獨立優(yōu)化導通和關(guān)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(shí)產(chǎn)生的柵極尖峰?？傮w而言，STGAP2SICSNTR為功率轉換和電機驅動(dòng)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(guān)斷保護功能，可針對SiC MOSFET進(jìn)行值優(yōu)化。通過(guò)雙輸入引腳選擇控制信號極性，實(shí)現硬件互鎖保護，避免控制器故障時(shí)發(fā)生交叉輸出，可幫助工程師輕松設計高可靠性系統，提升系統運行穩定性和抗干擾能力。
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，能夠有效提高系統精度。
貿澤電子在售的STMicroelectronics GaN半橋高壓驅動(dòng)器MASTERGAN1TR，采用電源系統級封裝，集成了半橋柵極驅動(dòng)器和兩個(gè)增強型高壓GaN晶體管，為開(kāi)關(guān)電源、充電器、太陽(yáng)能發(fā)電、UPS系統、高壓PFC、DC/DC和DC/AC轉換器等應用提供了簡(jiǎn)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(dòng)器快速供電。同時(shí)提供UVLO保護和互鎖保護，避免電源開(kāi)關(guān)在低效率或危險條件下工作。
總結
隨著(zhù)新能源汽車(chē)、電力電網(wǎng)和5G通信等領(lǐng)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(zhù)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。然而受限于傳統封裝工藝、驅動(dòng)設計等技術(shù)瓶頸，第三代半導體器件散熱、可靠性方面都面臨著(zhù)新的難題和挑戰。
面對這些應用痛點(diǎn)，貿澤在售的多種類(lèi)型的功率器件及模塊、門(mén)驅動(dòng)器在封裝工藝和驅動(dòng)技術(shù)方面進(jìn)行了創(chuàng )新和優(yōu)化，打破了傳統技術(shù)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(dòng)寬禁帶半導體器件更大規模的商業(yè)化應用落地。
技術(shù)發(fā)展日新月異，半導體產(chǎn)業(yè)對于新材料及材料技術(shù)的追求從未止步，超寬禁帶半導體材料逐漸走進(jìn)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(chǎng)強更高，在大功率、高頻率、高電壓設備中擁有更高的應用價(jià)值和更廣闊的發(fā)展前景。跟隨技術(shù)演進(jìn)方向，貿澤也將不斷擴展產(chǎn)品類(lèi)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。
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