【技术】宽禁带半导体更适合高温下工作原因

时间： 2023-07-16 来源：KEYSIGHT知乎

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半导体禁带宽度与温度等有关：半导体禁带宽度随温度能够发生变化，这是半导体器件及其电路的一个弱点（但在某些应用中这却是一个优点）。半导体的禁带宽度具有负的温度系数，所以当温度升高时，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—负的温度系数。

宽禁带半导体以其恰好弥补硅的不足而逐步受到半导体行业青睐，成为继硅之后最有前景的半导体材料。随着5G、汽车等新市场出现，SiC/GaN不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；SiC/GaN的时代已經到來。

什么是半导体？

半导体（semiconductor）是指导电特性介于导体和绝缘体之间，原子核最外层电子的易失和易得几率相等，容易做成PN结的材料。比如“硅（Si）”、“锗（Ge）”等材料。有时也用“半导体”来特指具有PN结的电子元器件。包括：二极管、三极管、MOS管（场效应管）、可控硅、放大器、与或非门等等，也包括那些主要以半导体元件构成的复杂零部件。

什么是宽禁带半导体？

宽禁带半导体也被称为第三代半导体，那第一代、第二代以及第三代分别是哪些半导体材料？应用领域又有哪些呢？我们简单介绍如下：

第一代元素半导体，主要包括以硅（Si）、锗（Ge）为代表的单质半导体，其中锗最先被研究且应用，但由于其造价较高，稳定性较差，主要应用于部分发光二极管、太阳能电池中。硅基材料是目前主流逻辑芯片和功率器件的基础，以硅基半导体材料开创了功率半导体元器件MOSFET和IGBT等为代表的固态电子时代，也是目前电力电子领域应用最为广泛的半导体材料。

第二代化合物半导体，主要指二元/三元化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP），其主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件，应用领域主要包括卫星通信、移动通信、光通信、GPS导航等。

第三代宽禁带半导体，主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等，优点是禁带宽度大（>2.2ev）、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高，可用于于高温、高频、抗辐射及大功率器件，也是目前国家大力发展的新型半导体器件。

宽禁带半导体器件与传统的硅半导体器件的比较

宽禁带半导体是对硅材料的有益补充。以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带（第三代）半导体凭借优异的物理特性，天然适合制作高压、高频、高功率的半导体器件。

第三代半导体是指使用新的材料和器件结构制造的半导体器件，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等。相较于传统的硅同类材料，WBG宽禁带半导体使得器件能够在更高的温度、电压和频率下工作，因此这些材料制成的电力电子模块比使用传统半导体材料制成的模块更加稳定和节能。

鉴于第三代半导体因其优异的性能，在半导体照明、新一代移动通信、新能源并网、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广泛的应用前景。第三代半导体材料具有高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，正在成为全球半导体产业新的战略高地。

宽禁带半导体（WBG）作为一项革命性的材料，能够提供更高的速度、更高的电压和更高的热操作能力，从而提高效率，减少尺寸和成本。然而，这也带来了新的挑战，半导体制造商和工程师在表征宽禁带半导体遇到了一些困难。对于传统硅基的大功率半导体应用，通过测试静态参数是可以评估芯片和器件性能，因为它们的开关速率较慢。然而，对于宽禁带半导体，测试静态和动态参数都是重要的。宽禁带半导体的更高开关速率会在开关瞬态过程中会造成损失。

JEDEC是全球领先的微电子行业标准化组织，它将WBG宽禁带半导体的动态测试定义为GaN JC-70.1和SiC JC-70.2。随着JEDEC标准的发展，测试WBG半导体已经成为一项复杂的任务，更多的测试涌现出来。第三代半导体需要对应不同的测试需求，不仅要测量击穿电压、工作电流、导通电阻、IV、CV曲线等静态参数，还需要对开关时间、损耗能量、动态导通电阻等参数进行完全表征。因此，WBG器件制造商和测试机构需要一种全面的解决方案，可以重复、可靠、安全地测试动态参数。

图 1

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）。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。

图 2

半导体禁带宽度与温度等有关：半导体禁带宽度随温度能够发生变化，这是半导体器件及其电路的一个弱点（但在某些应用中这却是一个优点）。半导体的禁带宽度具有负的温度系数，所以当温度升高时，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——负的温度系数。

禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。根据半导体材料的禁带宽度的不同，可分为宽禁带半导体材料和窄禁带半导体材料：

若禁带宽度Eg<2.3eV（电子伏特），则称为窄禁带半导体，如锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)以及磷化铟(InP)；

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)、H碳化硅(HSiC)、H碳化硅(HSiC)、氮化铝(AlN)以及氮化镓铝(ALGaN)等。

禁带越宽，意味着电子跃迁到导带所需的能量越大，也意味着材料能承受的温度和电压越高，越不容易成为导体；禁带越窄，意味着电子跃迁到导带所需的能量越小，也意味着材料能承受的温度和电压越低，越容易成为导体。

宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

图 3

在宽禁带半导体材料中，SiC和GaN最受关注，由于其宽带隙特性可以进一步提高功率器件的性能，因此尤其受到功率半导体市场的青睐。

随着国内通信技术和电力电子技术的快速发展，化合物半导体受到的关注越来越多。化合物半导体主要分为二元化合物砷化镓GaAs、氮化镓GaN、碳化硅SiC、磷化铟InP，以及一些三元化合物GaAsSb、InGaAs等等。

各类化合物都因其各自的禁带宽度、载流子迁移率而展现出不同的物理特性：

图 4

由于物理特性的差异，各类化合物半导体凭借自身的优势走向了不同的应用领域，互无优劣之分。

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参数测试的两种基本测量——参数测试逐点测量和扫描测量

扫描测量是产生矢量结果的一系列测量，它在扫描测量期间改变一个独立变化量，然后测量和绘制相关的变化量。起初可能认为扫描测量只是一系列的单点测量，但实际并非如此。为迅速完成扫描测量，仪器要对扫描中从一个测量点转到到下一个测量点的情况进行假设。基本假设是改变测量点不要求改变测量量程 (如果是限制量程或自动量程)。当然，如果扫描要求改变测量量程，那么测量电路应执行这一改变。

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PD1500A半导体动态参数分析仪整套系统解决氮化镓测试挑战，采用无焊接接触技术，同时还可以实现自动检测和可重复测试

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1、可以进行IV测试，具体测试最小精度要看测试环境，常规应该是PF级别；2、最大通道数量需要看被测试物体的测试标准，接插配件可以多通道，仪器内部有激励源；3、此仪器是可以和CP机台配合测试WAFER的，需要选购一些配件进行链接；产品规格书链接：B1500A SemiconductorDevice Analyzer实际案例链接：【应用】Keysight B1500A半导体器件参数分析仪成为半导体制造商RTN测量的标准解决方案感谢您的查阅

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