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              第三代半導體電力電子器件和產業趨勢詳解

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              第三代半導體電力電子器件和產業趨勢詳解

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              【摘要】:
              第3代半導體是指以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、金剛石、氧化鋅(ZnO)為代表的寬禁帶半導體材料,各類半導體材料的帶隙能比較見表1。與傳統的第1代、第2代半導體材料硅(Si)和砷化鎵(GaAs)相比,第3代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能,使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現出巨大的潛力,是世界各國半導體研究
              第3代半導體是指以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、金剛石、氧化鋅(ZnO)為代表的寬禁帶半導體材料,各類半導體材料的帶隙能比較見表1。與傳統的第1代、第2代半導體材料硅(Si)和砷化鎵(GaAs)相比,第3代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能,使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現出巨大的潛力,是世界各國半導體研究領域的熱點。
               
                第三代半導體電力電子器件和產業趨勢詳解
               
                主要應用領域的發展概況
                目前,第3代半導體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術的革命,無論是照明、家用電器、消費電子設備、新能源汽車、智能電網、還是軍工用品,都對這種高性能的半導體材料有著極大的需求。根據第3代半導體的發展情況,其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域,每個領域產業成熟度各不相同(見圖1)。
               
                第三代半導體電力電子器件和產業趨勢詳解
               
                電力電子器件
                在電力電子領域,寬禁帶半導體的應用剛剛起步,市場規模僅為幾億美元。其應用主要集中在軍事尖端裝備領域,正逐步向民用領域拓展。微波器件方面,GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統等方面。在未來,GaN微波器件有望用于4G~5G移動通訊基站等民用領域。功率器件方面,GaN和SiC兩種材料體系的應用領域有所區別。Si基GaN器件主要的應用領域為中低壓(200~1 200V), 如筆記本、高性能服務器、基站的開關電源;而SiC基GaN則集中在高壓領域(>1 200V),如太陽能發電、新能源汽車、高鐵運輸、智能電網的逆變器等器件。
               
                第三代半導體電力電子器件和產業趨勢
                在20世紀,硅基半導體電力電子器件被廣泛應用于計算機、通信和能源等行業,為人們帶來了各種強大的電子設備,深刻地改變著每一個人的生活,在過去的幾十年中一直推動著科學的進步和發展。隨著硅基電力電子器件逐漸接近其理論極限值,利用寬禁帶半導體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優異的特性,給電力電子產業的發展帶來了新的生機。相對于Si材料,使用寬禁帶半導體材料制造新一代的電力電子元件,可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少電力電子元件的質量、體積以及生命周期成本,允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作,使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能?;谶@些優勢,寬禁帶半導體在家用電器、電力電子設備、新能源汽車、工業生產設備、高壓直流輸電設備、移動電話基站等系統中都具有廣泛的應用前景。
               
               軍事方面的應用
               
                最初,針對禁帶半導體的研究與開發主要是為了滿足軍事國防方面的需求。早在1987年,美國政府和相關研究機構就促成了科銳公司(Cree)的成立,專門從事SiC半導體的研究。隨后,美國國防部和能源部先后啟動了“寬禁帶半導體技術計劃”和“氮化物電子下一代技術計劃”,積極推動SiC和GaN寬禁帶半導體技術的發展。美國政府一系列的部署引發了全球范圍內的激烈競爭,歐洲和日本也相繼開展了相關研究。歐洲開展了面向國防和商業應用的“KORRIGAN”計劃和面向高可靠航天應用的“GREAT2”計劃。日本則通過“移動通訊和傳感器領域半導體器件應用開發”、“氮化鎵半導體低功耗高頻器件開發”等計劃推動第3代半導體在未來通信系統中的應用。經過多年的發展,發達國家在寬禁帶半導體材料、器件及系統的研究上取得了豐碩的成果,實現了在軍事國防領域的廣泛應用。
               
                由于SiC和GaN兩種材料的特性不同,它們的應用領域也有所區別:GaN主要是用作微波器件,而SiC主要是作為大功率高頻功率器件。GaN材料的功率密度是現有GaAs器件的10倍,是制造微波器件的理想材料,被應用于雷達、電子對抗、智能化系統及火控裝備,用來提高雷達性能和減小體積。根據報道,美國海軍新一代干擾機吊艙、空中和導彈防御雷達AMDR正在采用GaN來替代GaAs 器件,以取代洛馬公司的SPY-1相控陣雷達(宙斯盾系統核心雷達)。SiC則應用于高壓、高溫、強輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機及智能武器電磁炮等眾多軍用電子系統,起到抵抗極端環境和降低能耗的作用。美國新型航空母艦CVN-21級福特號配備的4個電磁彈射系統均靠電力驅動,能在300英尺的距離內把飛機速度提高到160海里/h。其區域配電系統采用全SiC器件為基礎的固態功率變電站,這使得每個變壓器的質量從6t減少為1.7t,體積從10m3減少為2.7m3。
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