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矽材料已近物理極限急尋接班 寬能隙GaN表現優異可望出線

文‧楊東益/林志宏 發布日期:2019/03/28 關鍵字:GaN HEMT SiC SiliconMOSFET

使用矽(Silicon)材料的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)元件於1960年代問世,到了1998年以超接面(Super Junction)技術為主的功率晶體被開始使用,數十年來矽的功率晶體對電子產業的影響甚鉅,但到了今日,矽材料作為功率元件也接近物理開發極限,而相關從業人員早已考量寬能隙材料(Wide Band Gap Material)作為開發下一代功率開關的可能性,其中以氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)和碳化矽(Silicon Carbide, SiC)為目前業界新一代功率開關發展最成熟的材料。

以下將介紹以GaN材料的功率晶體,包括GaN材料的物理特性以及GaN高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)的元件特性,以便對此新材料及新元件有進一步的認識。

寬能隙的材料相較於矽材料,有較高的電子能階,矽施予1.1電子伏特(eV)的能量可以使電子從價電帶移動到傳導帶,而寬能隙材料的GaN需要3.5eV及SiC需要3.3eV,GaN與SiC相較於矽材料有七倍以上的崩潰電壓強度,而電子飽和速度也比矽材料快兩倍以上,寬能隙的材料特性具有高耐電壓及高速切換的特性,應用在電源轉換器上,可以有效提高其功率密度。

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