半导体大佬撑腰之下 GaN功率半导体能取代MOSFET？

2016-10-27 04:13

　　除了这些设计公司之外，还有两家代工厂-台积电和稳懋半导体能够提供GaN工艺。现在，台湾联华电子的一个业务部门Wavetek也计划进军GaN代工业务。

　　什么是功率半导体？
　　功率半导体被设计用来提升系统的效率以及减少能量损失。可是实际上，出于两个方面的原因-传导和开关切换，设备可能会出现能量损失。根据松下的说法，传导损耗是因为器件本身存在阻抗，而开关损耗则发生在on和off状态间。

　　因此，业界的想法是寻找到一种阻抗更低、开关速度更快的晶体管技术。除了这两个因素之外，原始设备制造商还会考虑电压、电流、负载、温度、芯片尺寸、成本等因素。

　　今天，有几种可供选择的功率半导体技术。入门级市场需求由传统功率MOSFET满足，它用于10V-500伏的应用。功率MOSFET基于垂直晶体管架构，在20世纪70年代开发问世。

　　功率半导体厂商之间的厮杀主要集中在两个中档电压区段 - 600伏和1200伏。这种电压区间的主要应用包括适配器、汽车、开关电源和太阳能逆变器。

　　针对这种电压区间的应用，原始设备制造商有四种选择，包括两种硅基解决方案和两种宽带隙技术解决方案。其中，超级结功率MOSFET和IGBT是目前主导这种市场应用的两种硅基技术。

　　超级结功率MOSFET和IGBT基于横向器件结构，用于五百伏到九百伏的应用。同时，IGBT结合了MOSFET和双极晶体管的特性，能够用于400伏到1万伏之间的应用。

　　超级结MOSFET和IGBT不需要使用先进的制造工艺，它们可以使用300mm晶圆生产，使得它们相对而言更加便宜。

　　问题在于，超级结技术在大约九百伏左右时就遭遇了天花板，而IGBT则困扰于开关速度慢的缺点。Wavetek销售和市场部高级经理Domingo Huang表示：“在过去三十年中，硅基MOSFET成为大多数功率电子设备应用中功率器件的首选。然而，下一代和新兴的应用要求进一步大幅提高功率转换性能，而硅基FET器件正在接近其物理特性的极限。”

　　这就是为什么业界对两种宽带隙解决方案-碳化硅和氮化钾-感兴趣的原因。宽带隙指的是电子从其轨道脱离所需的能量大小，也是决定能够自由移动的电子的质量的一个参数。

　　GaN的带隙为3.4电子伏特（eV），SiC的带隙为3.3eV，相比之下，硅的带隙只有1.1eV。

　　通常，在功率领域中，GaN基功率半导体用于30伏至650伏的应用，而SiC FET用于600伏到10千伏的系统。

　　那么600伏和1200伏电压区段的最佳技术是什么？这取决于具体要求和成本。全球最大的功率半导体供应商英飞凌的GaN应用经理Eric Persson说：“我们并不真正觉得GaN和超级结功率MOSFET是互相竞争的。”英飞凌销售基于MOSFET、IGBT、GaN和SiC所有技术的功率器件。