第三代半导体：宽禁带半导体SiC、GaN

固体的能带结构主要分为导带、价带和禁带三部分，原子中最外层电子称为价电子，价电子所占据的能带称为价带；比价带能量更高的允许带称为导带；在价带和导带之间的范围是电子无法占据的，这一范围称为禁带。

材料想要导电，就需要价带中的电子跃迁到导带中，形成可以自由移动的电子。电子需要跃迁的距离就是禁带宽度。

物体要导电，就必须在导带中存在可以移动的自由电子。因此，禁带宽度越窄的物体，电子就越容易发生跃迁，因此就越容易导电。相反，禁带宽度越宽的物体，电子跃迁所需要的能量就越高，因此就越不容易发生电子跃迁而导电。

从图中我们可以看出，导体的价带顶部和导带的底部挨在了一起，即导体的禁带宽度为0。因此，导体不需要外部能量，价带中的电子就可以移动到导带中，从而导电。绝缘体的价带和导带之间的距离最远，远到电子基本无法获得足够的能量发生跃迁。

半导体的禁带宽度介于导体和绝缘体之间。宽禁带半导体就是禁带宽度大于传统半导体的一种半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。如果禁带宽度再宽一点，就被称为超宽禁带半导体，如氮化铝镓（AlGaN）、氧化镓（Ga₂O₃）等。

（2）开关频率是硅器件的10余倍，可以大大减小电路中储能元件的体积，从而成倍地减小设备体积，减少贵重金属等材料的消耗；

（3）理论上可以在600℃以上的高温环境下工作，并有抗辐射的优势，可以大大提高系统的可靠性，在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值。

通过对比，宽禁带半导体材料碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）相较于传统的半导体材料硅（Si）拥有更高的临界电场强度、更高的热导率和更大的饱和电子漂移速率，材料性能可以说是单方面碾压传统半导体材料硅（Si）。宽禁带半导体材料的这些优异性能，使得利用宽禁带半导体材料制作的半导体功率器件更能满足现代工业对于高功率、高电压、高频率、小体积的需求。

SiC功率器件在电力转换需求频繁、对电力转换组件有体积或质量要求、相对高温的使用环境上有得天独厚的优势。

在新能源汽车领域，采用SiC功率器件可以提升电池的能量利用率，同时可减少电力转化模块的体积和质量、节省散热组件，从而实现整车轻量化，综合来看，使新能源汽车在同样的电池容量下实现了更高的续航里程。另外，在高频次使用的直流充电桩上更适合应用SiC功率器件，以降低电能损耗、节省充电桩体积、提高充电速率、延长设备使用寿命。

在绿色能源领域，光伏发电并入电网需要将直流电逆变成交流电，这个过程需要功率器件参与，采用SiC功率器件可直接提升电能的转化效率，增加其并网发电收入。风力发电的电能转换过程需要经过整流、逆变两步，采用SiC功率器件能更好地提升风能的利用效率。同时，SiC功率器件更耐受极端环境，更适合光伏、风力发电领域。

在轨道交通领域中，已有多家公司和科研院所都关注SiC器件在牵引变流器系统中的应用研究，一些机构已经将产品市场化并在轨道列车上安装运行。得益于已有的解决方案，与传统系统相比，铁路车辆系统的总能耗降低了约30%。与具有IGBT功率模块的传统逆变器系统相比，尺寸和质量减小约65%，与具有SiC二极管的现有混合逆变器系统相比减小约30%。

在大型服务器、数据中心中，因为SiC功率器件在电能转换上的高效率、耐高温、使用寿命长的特性，在IT应用中能节省大量能耗、替换维护成本。

此外，在家电、军工、航空航天、工业控制、智能电网等诸多领域SiC功率器件也有初步使用或研发跟进，总体上市场对高性能的SiC功率器件保持持续的需求增长状态。

在探测器方面，研究还处于起步阶段，GaN探测器将在导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域有重要应用，目前已研制出GaN紫外探测器。

在激光器方面，GaN基激光器可以实现蓝、绿和紫外激光器的制造：紫色激光器可用于制造大容量光盘，还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用；蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起，实现全真彩显示，使激光电视实现广泛应用。

目前，第三代宽禁带功率半导体器件已经在智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域得到应用，并展现出良好的发展前景。国际领先企业已经开始市场布局，全球新一轮的产业升级已经开始，正在逐渐进入第三代半导体时代。

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