宽禁带半导体的定义

宽禁带半导体是指其禁带宽度大于传统半导体材料（如硅、锗等）的一类半导体。1931 年，威尔逊(A.H.Wilson)在结合前人研究成果下主张提出晶体中电子的能级会分裂成能带，不同晶体的能带数目及宽度均不相同，提出能带论，根据能带被电子占据的情况，把能带分为价带（满带）、禁带和导带（空带）。对于包括半导体在内的晶体，其中的电子既不同于真空中的自由电子，也不同于孤立原子中的电子。真空中的自由电子具有连续的能量状态，即可取任何大小的能量；而原子中的电子是处于所谓分离的能级状态。晶体中的电子是处于所谓能带状态，能带是由许多能级组成的，能带与能带之间隔离着禁带，电子就分布在能带中的能级上，禁带是不存在公有化运动状态的能量范围。半导体最高能量的、也是最重要的能带就是价带和导带。导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度(或者称为带隙、能隙)。若禁带宽度 Eg>2.3eV 则称为宽禁带半导体，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)等。

宽禁带半导体的特点

宽禁带半导体具有以下显著特点：

·         优越的电学性能：宽禁带意味着电子跃迁到导带所需的能量更大，这使得宽禁带半导体材料能承受更高的电压和温度。例如，碳化硅、氮化镓相对于传统的 Si MOSFET、IGBT 等器件具有更强的耐高压和耐高温能力。

·         高能效和低损耗：在相同的充电情况下，使用宽禁带半导体器件的电动汽车能够行驶得更远，因为其器件能够实现更低的损耗。

·         优越的高频特性：GaN 电子器件在衬底材料上外延生长势垒层/沟道层材料，该结构可以实现高密度和高迁移率（速度）的 2DEG，这是实现微波和大功率半导体器件的关键。

·         温度稳定性：半导体禁带宽度随温度能够发生变化，宽禁带半导体的禁带宽度具有负的温度系数，当温度升高时，晶体的原子间距增大，能带宽度虽然变窄，但禁带宽度却是减小的。这一特点在某些应用中是优点，但在半导体器件及其电路中也可能是弱点。

宽禁带半导体的应用领域

目前，宽禁带半导体器件已经在多个领域得到应用，并展现出良好的发展前景：

·         智能电网：宽禁带半导体器件能够提高电网的效率和稳定性。

·         电动汽车：有助于提升电动汽车的续航里程和充电速度。

·         轨道交通：增强轨道交通系统的性能和可靠性。

·         新能源并网：优化新能源发电的接入和管理。

·         开关电源：提高电源的转换效率和功率密度。

·         工业电机：实现电机的高效运行和精确控制。

·         家用电器：如空调、冰箱等，降低能耗和提高性能。

常见的宽禁带半导体材料

常见的宽禁带半导体材料包括：

·         碳化硅（SiC）：是目前发展较为成熟的宽禁带功率半导体材料，具有高热导率、高击穿电场等优点。

·         氮化镓（GaN）：在高频、高功率应用方面表现出色。

·         氮化铝（AlN）：具有良好的绝缘性能和热稳定性。

·         氧化锌（ZnO）：在光电领域有一定的应用潜力。

宽禁带半导体的发展趋势

宽禁带半导体的发展呈现出以下趋势：

·         市场需求增长：随着 5G、汽车等新市场的出现，对宽禁带半导体的需求不断增加，SiC/GaN 不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速。

·         成本降低：随着制备技术的进步，SiC 与 GaN 器件与模块的成本逐渐降低，使其在更多领域得到应用。

·         技术创新：不断探索新的材料和结构，以提高性能和拓展应用范围。

·         应用拓展：从传统的电力电子、光电子领域向更广泛的领域如航空航天、医疗等拓展。

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