2021年IGBT行业新能源应用需求分析及市场发展驱动力研究报告（47页）.pdf

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1、第三代半导体物理特性相较于 Si 在工作频率、抗高温和抗高压具备较强的优势。半导体材料领域至今经历了多个发展阶段，相较而言，第三代半导体在工作频率、抗高温和抗高压等方面更具优势。第一代半导体材料主要包括硅(Si)和锗(Ge)，于 20 世纪 40 年代开始登上舞台，目前主要应用于大规模集成电路中。但硅材料的禁带宽度窄、电子迁移率低，且属于间接带隙结构，在光电子器件和高频高功率器件的应用上存在较大瓶颈，因此其性能已难以满足高功率和高频器件的需求。新材料推进新产品发展，高压高频领域适用 SiC。碳化硅在绝缘破坏电场界强度为硅的 10倍，因此 SiC 可以以低电阻、薄膜厚的漂移层实现高耐压，意味着相

2、同的耐压产品 SiC的面积会比 Si 还要小，比如 900V SiC-MOSFET 的面积是 Si-MOSFET 的 1/35。因此，硅基的 SJ-MOSFET 只有 900V 左右的产品，SiC 可以做到 1700V 以上且低导通电阻。 为了改善高耐压化所带来的导通电阻增大主要采用 IGBT 结构，但由于其存在开关损耗大产生发热、高频驱动受到限制等问题，所以需借由改变材料提升产品性能。SiC在 MOSFET 的结构就可实现高耐压，因此可同时实现高耐压、低导通电阻、高速，即使在 1200 V 或更高的击穿电压下也可以制造高速 MOSFET 结构。SiC MOSFET 具备一定优势，但成本较高。

3、就器件类型而言，SiC MOSFET 与 Si MOSFET 相似。但是，SiC 是一种宽带隙(WBG)材料，其特性允许这些器件在与 IGBT相同的高功率水平下运行，同时仍然能够以高频率进行开关。这些特性可转化为系统优势，包括更高的功率密度、更高的效率和更低的热耗散。然而，受制于制造成本和产品良率影响，SiC 产品价格较高。由于 Si 越是高耐压的组件、每单位面积的导通电阻变高(以耐压的约 22.5 倍增加)，因此 600V 以上的电压则主要使用 IGBT。但是 IGBT 是藉由注入少数载子之正孔于漂移层内，比 MOSFET 可降低导通电阻，另一方面由于少数载子的累积，断开时产生尾电流、造成开

4、关的损耗。SiC 由于漂移层的电阻比 Si 组件低，不须使用传导度调变，可用高速组件构造之 MOSFET 以兼顾高耐压与低电阻，可实现开关损耗的大幅削减与冷却器的小型化。SiC 在制造和应用方面又面临很高的技术要求，因此 SiC Mosfet 价格较 Si IGBT 高。根据功率器件的特性，不同功率器件的应用领域各有不同。虽然 IGBT 结合了 MOSFET与 BJT 的优势，但三者根据各自的器件性能优势，都有适合的应用领域。BJT 更强调工作功率，MOSFET 更强调工作频率，IGBT 则是工作功率与频率兼具。BJT 因其成本优势，常被用于低功率低频率应用市场，MOSFET 适用于中功率高频率应用市场，IGBT适用于高功率中频率应用市场。高功率密度的 IGBT 在性能、可靠性等方面将继续发展，因此在较长一段时间内仍会是汽车电动化的主流器件。SiC 组件具有高压、高频和高效率的优势，在缩小体积的同时提高了效率，相关产品则主要用于高压高频领域。