【導讀】在集成電路和分立器件領域
，矽始終是應用最廣泛
、技術最成熟的半導體材料
，但矽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勢，第三代半導體逐漸顯露出廣闊的應用前景和市場發展潛力。

所謂第三代半導體，即禁帶寬度大於或等於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矽（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化鋁（AIN）、氧化鋅（ZnO）和金剛石等，其中又以碳化矽和氮化镓材料技術的發展最為成熟。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）

從應用領域來看，第三代半導體材料廣泛應用於射頻器件、光電器件
、功率器件等領域。以功率半導體市場為例，據TrendForce集邦谘詢報告，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模將增至47.1億美元
，年複合增長率高達45%。從(cong)下(xia)遊(you)細(xi)分(fen)市(shi)場(chang)來(lai)看(kan)，由(you)於(yu)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)不(bu)盡(jin)相(xiang)同(tong)
，碳(tan)化(hua)矽(gui)與(yu)氮(dan)化(hua)镓(jia)在(zai)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)上(shang)也(ye)略(lve)有(you)差(cha)異(yi)。碳(tan)化(hua)矽(gui)具(ju)備(bei)更(geng)高(gao)的(de)熱(re)導(dao)率(lv)，主(zhu)要(yao)麵(mian)向(xiang)新(xin)能(neng)源(yuan)汽(qi)車(che)、光伏發電
、軌道交通
、智能電網等高壓

、高功率應用；而氮化镓則以其更高的電子遷移率
，高頻特性較好
，廣泛應用於PD快充

、新能源充電樁
、5G通信等領域。

圖2：碳化矽及氮化镓應用優勢領域

（圖源：英飛淩）

整體而言，碳化矽、氮化镓器件市場已經初具規模
，在功率和射頻應用領域完成了對矽基半導體器件的初步替代。但由於材料製備技術、器件製造與封裝工藝、動靜態測試、驅qu動dong設she計ji優you化hua以yi及ji可ke靠kao性xing等deng問wen題ti尚shang未wei完wan全quan解jie決jue
，導dao致zhi第di三san代dai半ban導dao體ti器qi件jian的de性xing能neng大da打da折zhe扣kou，無wu法fa完wan全quan發fa揮hui其qi材cai料liao本ben身shen的de優you勢shi。關guan鍵jian技ji術shu不bu成cheng熟shu、成本居高不下，第三代半導體器件自然難以實現更大規模的商業化落地。下麵我們就從碳化矽
、氮化镓器件的應用痛點出發，梳理一下國際大廠是如何攻克這些難題的。

優化封裝技術突破開關性能限製

與矽功率半導體相比，碳化矽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。然而受限於傳統封裝技術，碳化矽功率器件的性能優勢難以完全得到發揮。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與寄生電容發生振蕩，從而使MOSFET導(dao)通(tong)所(suo)需(xu)的(de)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)，導(dao)通(tong)速(su)度(du)減(jian)慢(man)。為(wei)此(ci)，一(yi)些(xie)廠(chang)商(shang)正(zheng)在(zai)尋(xun)求(qiu)更(geng)完(wan)善(shan)的(de)封(feng)裝(zhuang)方(fang)案(an)，以(yi)優(you)化(hua)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)，進(jin)一(yi)步(bu)挖(wa)掘(jue)碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)潛(qian)力(li)。

貿澤電子在售的來自製造商ROHM Semiconductor的SCT3080KW7TL，是一款7引腳SiC功率MOSFET。SCT3080KW7TL采用了TO-263-7L表biao貼tie封feng裝zhuang，將jiang電dian源yuan源yuan極ji與yu驅qu動dong器qi源yuan極ji引yin腳jiao分fen離li開kai，可ke提ti供gong獨du立li於yu電dian源yuan的de驅qu動dong器qi源yuan，有you效xiao消xiao除chu了le導dao通tong時shi源yuan極ji電dian感gan對dui柵zha極ji電dian壓ya的de影ying響xiang。導dao通tong時shi
，電dian流liu變bian化hua時shi間jian縮suo減jian，導dao通tong損sun耗hao降jiang低di


；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平麵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。獨立式驅動器源極也讓SCT3080KW7TL驅動更加簡單便捷、易於並聯，有助於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轉換器控製IC、800V耐壓Si-MOSFET、齊納二極管
、電(dian)阻(zu)器(qi)和(he)散(san)熱(re)板(ban)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)個(ge)封(feng)裝(zhuang)內(nei)
，極(ji)大(da)地(di)削(xue)減(jian)了(le)部(bu)件(jian)數(shu)量(liang)，在(zai)小(xiao)型(xing)化(hua)方(fang)麵(mian)極(ji)具(ju)競(jing)爭(zheng)優(you)勢(shi)。同(tong)時(shi)，該(gai)芯(xin)片(pian)內(nei)置(zhi)了(le)高(gao)精(jing)度(du)過(guo)熱(re)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)，實(shi)現(xian)了(le)更(geng)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)能(neng)。

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。控製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

作為柵極電壓控製器件，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。MOSFETqijianzaizhuanhuanguochengzhong，zhajiyuloujizhijiandemiledianrongjianghuiyoufamilezhendang，ganraozhayuanjidianyashangsheng，congeryanchanglekaiguanqiehuanshijian，daotongsunhaodafuzengjia，xitongwendingxingyesuizhijiangdi。duiyuSiC 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第二代碳化矽MOSFET技術，具有極低的導通電阻和優異的開關性能。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，廣泛應用於開關電源、DC/DC轉換器和工業電機控製等領域。

為了緩解米勒效應，SCTH35N65G2V-7AG采用了有源米勒鉗位技術，在瞬態電壓額定值低於20V/ns時
，有效地抑製了米勒振蕩，減少了開關的錯誤導通率，提高了係統穩定性。在較高瞬態電壓下，SCTH35N65G2V-7AG則通過在柵源極使用齊納保護限製振鈴，進一步優化電路輸出波形。

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表現出更加優秀的耐高溫、低損耗性能
，適用於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於競爭產品。

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於使用的驅動方案。該器件可在柵極驅動銅導與低壓控製接口電路間提供電流隔離


，具備4A與軌到軌輸出能力。STGAP2SICSNTR提(ti)供(gong)了(le)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)配(pei)置(zhi)選(xuan)項(xiang)，第(di)一(yi)配(pei)置(zhi)具(ju)有(you)獨(du)立(li)輸(shu)出(chu)引(yin)腳(jiao)
，通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)專(zhuan)用(yong)的(de)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)器(qi)獨(du)立(li)優(you)化(hua)導(dao)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)。第(di)二(er)種(zhong)配(pei)置(zhi)則(ze)具(ju)備(bei)單(dan)輸(shu)出(chu)引(yin)腳(jiao)和(he)米(mi)勒(le)鉗(qian)位(wei)功(gong)能(neng)
，抑(yi)製(zhi)了(le)半(ban)橋(qiao)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)高(gao)速(su)轉(zhuan)換(huan)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)柵(zha)極(ji)尖(jian)峰(feng)。總(zong)體(ti)而(er)言(yan)，STGAP2SICSNTR為功率轉換和電機驅動器逆變器等工業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(jin)行(xing)值(zhi)優(you)化(hua)。通(tong)過(guo)雙(shuang)輸(shu)入(ru)引(yin)腳(jiao)選(xuan)擇(ze)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)極(ji)性(xing)，實(shi)現(xian)硬(ying)件(jian)互(hu)鎖(suo)保(bao)護(hu)
，避(bi)免(mian)控(kong)製(zhi)器(qi)故(gu)障(zhang)時(shi)發(fa)生(sheng)交(jiao)叉(cha)輸(shu)出(chu)
，可(ke)幫(bang)助(zhu)工(gong)程(cheng)師(shi)輕(qing)鬆(song)設(she)計(ji)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)係(xi)統(tong)，提(ti)升(sheng)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)。

此外，STGAP2SICSNTR高壓軌高達1,700V，全溫度範圍內dv/dt瞬變抗擾性在100V/ns左右
，輸入輸出延遲低於75ns
，PWM控製精度較高
，能夠有效提高係統精度。

貿澤電子在售的STMicroelectronics GaN半橋高壓驅動器MASTERGAN1TR，采用電源係統級封裝
，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、太陽能發電
、UPS係統、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。

總結

隨著新能源汽車、電力電網和5G通信等領域迅速發展，以碳化矽、氮化镓為代表的第三代半導體憑借著其在高壓、高溫

、高頻應用中的優勢，逐漸顯露出對矽基半導體的替代作用。然而受限於傳統封裝工藝、驅動設計等技術瓶頸，第三代半導體器件散熱、可靠性方麵都麵臨著新的難題和挑戰。

麵對這些應用痛點，貿澤在售的多種類型的功率器件及模塊、門men驅qu動dong器qi在zai封feng裝zhuang工gong藝yi和he驅qu動dong技ji術shu方fang麵mian進jin行xing了le創chuang新xin和he優you化hua，打da破po了le傳chuan統tong技ji術shu的de限xian製zhi，最zui大da限xian度du地di挖wa掘jue了le寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti材cai料liao的de性xing能neng優you勢shi
，推tui動dong寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti器qi件jian更geng大da規gui模mo的de商shang業ye化hua應ying用yong落luo地di。

技術發展日新月異，半導體產業對於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。以氧化镓（GaO）為例，與碳化矽和氮化镓相比，該材料的帶隙更寬、擊穿場強更高
，在大功率
、高頻率
、gaodianyashebeizhongyongyougenggaodeyingyongjiazhihegengguangkuodefazhanqianjing。gensuijishuyanjinfangxiang，maozeyejiangbuduankuozhanchanpinleimu，fengfujiejuefangan，quanmianzhulikuanjindai、超寬禁帶半導體的發展。

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