【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%。congxiayouxifenshichanglaikan，youyucailiaoxingnengbujinxiangtong，tanhuaguiyudanhuajiazaiyingyongchangjingshangyelveyouchayi。tanhuaguijubeigenggaoderedaolv
，zhuyaomianxiangxinnengyuanqiche

、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。MOSFET器qi件jian在zai轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong，柵zha極ji與yu漏lou極ji之zhi間jian的de米mi勒le電dian容rong將jiang會hui誘you發fa米mi勒le振zhen蕩dang
，幹gan擾rao柵zha源yuan極ji電dian壓ya上shang升sheng
，從cong而er延yan長chang了le開kai關guan切qie換huan時shi間jian
，導dao通tong損sun耗hao大da幅fu增zeng加jia，係xi統tong穩wen定ding性xing也ye隨sui之zhi降jiang低di。對dui於yuSiC 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、menqudongqizaifengzhuanggongyihequdongjishufangmianjinxinglechuangxinheyouhua，dapolechuantongjishudexianzhi
，zuidaxiandudiwajuelekuanjindaibandaoticailiaodexingnengyoushi，tuidongkuanjindaibandaotiqijiangengdaguimodeshangyehuayingyongluodi。

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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