来源：电力电子技术杂谈
半导体器件需要解决的核心问题在于降低损耗，实现更高效率的电气转换。传统的Si器件在走过了半个多世纪的时间之后似乎已经山穷水尽，但人们在探索更高效率更高功率密度的路上并未停止脚步，人们开始把目光投向性能更优异的宽禁带器件。Cree、Wolfspeed、Infineon不断推出新的SiC、GaN器件，而宽禁带器件的应用也验证了其具有的优良特性，那么Si器件的瓶颈在哪里？宽禁带器件相比于Si器件有什么不同？是什么原因造成其具有的更好的特性？
开关器件的不理想性
对于功率变换器来说，半导体器件工作在开关状态，即要么导通，要么关断，理想的电压电流波形如下左图所示。导通状态流过电流，压降为0，关断状态电流为零。但实际上导通的时候有导通压降 VF，产生导通损耗，关断的时候有漏电流IF ，产生关断损耗，开关切换过程电压电流的交叠，产生开关损耗。
开关器件电压电流波形
目前主流的功率半导体器件当MOSFET与IGBT莫属。
MOSFET作为单极性器件，开关速度快，所以开关过程中的电压电流交叠小，开关损耗小，因此MHz的开关频率完全不在话下。但是经常只能看到MOSFET用于低压大电流的场合，而在高压场合（1000V以上）几乎看不到MOSFET的身影。这是因为高压的MOS导通电阻极大，MOSFET的导通电阻RDSon 与耐受电压VDSS 基本满足关系
即耐受电压升高一倍，导通电阻将变为原来的5到6倍，因此高压MOSFET导通损耗非常大，从而制约了MOSFET在高压场合的应用，我所知道的MOSFET最高就是950V，不过据说有做到更高的，只不过没什么市场，因为损耗太大。
为了弥补功率器件在高压场合的空缺，IGBT横空出世。相较于MOSFET，IGBT多了一层P掺杂层，摇身一变，成为双极性器件，而其具有的电导调制效应能够显著降低电阻，因此高压的IGBT依然能够保持比较低的导通压降，从而显著减小导通损耗。但电导调制效应是把双刃剑，关断时，少数载流子需要自然复合，而这一过程没有外加电场，所以导致电流拖尾的存在，因此开关损耗非常大，从而制约了IGBT在高频场合的应用，一般工作频率也只能在几kHz的水平。
由此看来，MOSFET短板在于导通损耗，IGBT短板在于开关损耗。而IGBT其实是MOSFET无法继续往高压发展之后妥协的产物（IGBT仅仅是比MOSFET多了一层掺杂而已），作为双极性器件的IGBT在关断的时候的电流拖尾难以避免，因此开关频率无法提高。开关频率如果能够提高，就意味着无源元件（比如滤波器）体积可以做得很小。下图可以看到工频（50Hz）变压器和高频（1MHz）平面变压器的大小对比
工频变压器
平面变压器
因此高频是未来电源发展的必然趋势，由此看来IGBT似乎已经到了穷途末路。我们不禁要想，高压MOSFET的瓶颈如何突破。
功率MOSFET结构及原理
功率mosfet结构如下图所示
Power MOSFET Structure
导通分析
其中，栅极为紫色区域，源极为上方深红色区域，漏极为最下方。P+或者N+表示重掺杂的Si，N-表示轻掺杂的Si。重掺杂的部分由于自由载流子多，所以导电性能强，轻掺杂则导电性能弱，关于掺杂可以参考Doping(semiconductors)。
那我们来分析MOSFET在导通和关断的时候都是什么样的过程。从下（D极）往上看（S极），N+是良导体，N-和P+构成PN结二极管，因此如果DS加正电压，二极管反向截止，管子关断。
当GS加正电压，栅极积聚正电荷，吸引N+中的电子积聚到靠近SiO2层，从而形成耗尽层。当GS加电压足够大（VGS＞VTH ）时，形成反型层，从而形成了沟道，负电荷就可以从N+经过沟道到达N-，开始沿着电场线漂移（这也是为什么N-下半部分叫漂移区的原因），因此电流相当于绕过了二极管，走另外一个通道。
沟道形成
因此导通电阻的组成为
其中，RChannel 为沟道电阻， Rdrift 为漂移区电阻。对于高压MOS管来说，漂移区的电阻占据绝大部分比重。既然如此，把漂移区的电阻减小就可以实现导通电阻的降低，由于漂移区电阻满足
其中， LSCR 为空间电荷区宽度，可以简单理解为N-区的厚度，n 为掺杂浓度。那么掺杂增大，或者把器件做薄就OK啦，真的是这样吗？我们再来看关断的时候发生什么。
关断分析
当GS上不给驱动信号之后，如下图所示
如图所示，器件恢复到关断状态。此时器件内部需要产生跟外部提供的相同的电势，才能使得电场抵消，载流子维持动态平衡。根据Poisson方程 ，器件中的电位分布以及电场分布满足以下关系式
其中 ND 为均匀掺杂的浓度。电场梯度正比于掺杂浓度，掺杂浓度越高，上图左侧的电场变化斜率增大，而根据
所以耐压值为电场强度沿电场线的积分。
按照先前的分析，想要降低导通电阻，就要增大掺杂浓度，并做薄器件。那么在相同的耐压下（即E下包围的面积相同），P+与N-交界处的电场强度就需要增大，否则将会发生器件的雪崩击穿。而Si器件的击穿场强最大为0.2MV/cm(Breakdown Field Comparison)，这就是Si器件作为半导体器件材料的瓶颈根源所在。
因此想要降低导通损耗，归根结底需要提高材料的最大击穿场强。而宽禁带器件，在最大击穿场强上有得天独厚的优势。
更薄的器件意味着更大的电场强度
宽禁带器件
给出SiC的击穿场强，说明，SiC器件就可以大大降低厚度，从而降低导通电阻
半导体材料对比
表格资料来自(semiconductor comparison)。从表格中可以看出，SiC器件的击穿场强为2.4MV/cm，为Si器件的12倍。因此SiC器件就能做到掺杂浓度更高，而且器件更薄，从而实现在高耐压的情况下仍然能够保持比较低的导通电阻。
这里列举Infineon的IPD95R750P7与Cree的E3M0065090D，可见一斑
Si MOS对比SiC MOS
而器件的理论极限如下图所示
半导体器件理论极限
可以看到SiC器件在高压场合具有非常大的优势，这就是宽禁带器件带给我们的好处。GaN器件性能甚至更好，但是GaN是平面结构的MOS，与先前讲的垂直结构不相同，所以这里不展开讨论。
One More Thing
作为宽禁带器件材料，SiC的优点还不仅仅是降低了导通损耗。对于功率开关管来说，除了关注发热，我们自然需要关注散热。SiC材料的导热系数为3-5，是Si材料(1.5)的两到三倍，甚至优于任何金属材料。因此SiC散热将更容易实现。
不仅如此，大家应该知道Si器件的结温一般只能用到200°C左右。主要限制原因在于温度太高，本征载流子浓度太大（即温度太高逐渐失去半导体特性，变为导体）。
本征载流子浓度随温度变化关系
从上图可以看出，SiC的本征载流子浓度远远低于Si器件，因此SiC器件用到六七百度也是可以正常工作的（当然前提是封装也需要能够耐受住这么高的温度）
总结
宽禁带器件具有的高击穿场强使得高耐压、低损耗的MOSFET成为可能。其优秀的导热性能以及耐高温的特点更是锦上添花，目前宽禁带器件成本还比较贵，所以只在小规模内使用。但随着生产规模的增大，生产成本的降低，基于SiC、GaN的器件必然成为半导体材料新的主角。
参考文献
[1]. Baliga B J. Fundamentals of power semiconductor devices[M]. Springer Science & Business Media, 2010.
[2]. Comparison of SiC to other Semiconductors. Comparison of SiC to other Semiconductors
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