这几天学了一些半导体基础的理论，在这里跟大家交流一下。我个人水平有限，难免有些错误，欢迎交流指正。
目前电力电子最火的一个课题是宽禁带器件，而所有宽禁带材料中，应用最广泛的就是GaN和SiC这两种。相对于硅材料，我们做电力电子的只需要知道，它们的导通压降小，耐温高，耐压高，以及寄生参数小，所以，相对于传统硅，他们可以做到更高的开关频率，更高的电压。目前，基于Si的IGBT，最高电压能够做到6.5 kV，英飞凌有相关产品，然而更高就不行了，一是体积原因，二是散热问题，所以高压设备通常要采用级联的方法。然而SiC的MOSFET和IGBT器件，Wolfspeed公司能够做到15 kV， 20 kV，Rohm也有相关SiC产品。尽管高压SiC还没上市，但是很多文章都有发布过双脉冲测试结果，甚至建模方法。因此，在高压领域SiC必然是趋势。而GaN，通常是600 V以下，然而，GaN可以很轻易的做到100 kHz及以上，因此，也是未来低压领域的潜力股。 他们都是宽禁带器件，为什么比硅好呢。这里按照我的理解说明一下，大部分内容来自于Robert F. Pierret的Semiconductor Device Fundamentals。
1. 导电的原因是因为电子的自由移动。通常情况下，导体的电子能够自由流动，而非导体则不能，他的电子被固定在了价键里面，成为化学能。像金属类元素，它们的原子核对于外层电子的束缚能力较弱，因此，表现为良导体。而非金属元素，比如碳、硅、磷它们的原子核对于外层电子束缚能力强，因此外层电子不能自由流动。
2. 这里引入一个禁带的概念，电子可以处于价键中，也可处于导带中。它处于哪个状态，取决于它吸收到的能量，如果电子获得足够的能量，就可以从价带中跳出来，到导带中去。而电子从价带最顶层，到导通带最下层最下层的能量，称为禁带。如果禁带越宽，那就意味着电子跃迁到导带的能量越大，也意味着材料越不容易称为导体。而这个电子获得能量的来源就多了，最常见的就是热能，另外还有光子，电场等等。其中，光伏电池板就是通过光子激发自由电子，产生光伏效应。
这里注意到，即使在导带和价带中，电子也有很多状态，每个电子独占一个状态，这个原理叫做泡利不相容(Pauli Exclusive Principal)，泡利不相容原理是针对于费米子系统而言的，原子属于费米子系统。当然，这些属于凝聚态物理范畴，不知道也不妨碍我们理解。
3. 半导体之所以称为半导体，当然是因为他本身不导电，但是在一定的状况下，就可以导电。这就需要掺杂。对于一个碳或者硅，是四族元素，他们可以和旁边的四个原子，通过价键连接起来，成为晶体。如果特别纯，那么这就不是导体。例如金刚石和纯的硅，都不是导体。但是如果掺入了五族元素，例如磷或砷，磷最外层有五个电子，它用四个和周围的硅连接起来了，但是多出一个电子，这个电子就没有处于价态中，于是就提供了自由电子，这种材料称为N型。同理，如果掺入三族元素，例如硼或铝，那么他和周围的硅连起来后，还差一个电子，于是就提供一个空穴，这个空穴就需要电子填满，这种材料称为P型。图中的圆圈是原子，没标明的都是硅，一条横线代表一个价键，即一个电子。
4. 对于一个半导体，我们想要的是，它的掺杂元素能够导通，而不是半导体本来的元素本身完全导通。 例如，如果硅完全导通，意味着价键中的电子全部成为自由电子，因此化学键就破裂了，材料本身就变性了。表现在外，就是材料本身被击穿了。这种击穿是不可逆的，因为一旦化学键破裂，就会和环境中的其他原子，例如氧，形成新的化学键，就不再是晶体了。我们需要它本身仍然能够维持着原来的状态，因此，我们想要它的禁带足够宽。越宽，意味着这个材料本身越难成为导体，于是可以承受的电压就越高。
5. 对于SiC而言，因为C原子本身的电子数比硅小，因此C原子对于外层电子的束缚能力强，他的禁带比硅更宽，Si和C形成的化学键，更难被打破。同理，对于GaN，尽管Ga自身比Si弱，但是N是很强的元素，单个的N原子的氧化性是很强的，因此，GaN的化学键也很强，也是宽禁带材料。
6. 既然需要宽禁带材料，从不导通状态激发到导通状态需要的能量更大，因此，他们可以耐受更高的温度和电压就正常了。相对于同样电压等级的硅器件，SiC和GaN的die可以做得更小，他的depletion region的面积可以更小，因此，他的寄生参数更小。寄生参数主要表现在导通电阻和寄生电容上。导通电阻小，导通压降就小，那么导通损耗就小，发热少。。
7. 同时，寄生电容小，那么Cgs和Cgd充电的时间更快，导通更快，反向恢复电流小，因此，他的开关损耗小。由于它的寄生参数更小，相对于Si更适用于高频高压场合，因为它的导通关断快，可以把死区做得更小，而且在更高温度下运行，200℃无太大压力，实验条件下，可以上到400-600℃。
然而SiC和GaN也有一些问题，因为它们的导通关断速度很快，因此在导通关断时，它们的dv/dt和di/dt就很高，我们知道V=L*di/dt，I=C*dv/dt，当电路中有寄生的电感和电容时，高dv/dt必然带来电路中出现EMI电流，而高di/dt会让电压出现尖峰。降低dv/dt和di/dt的办法有几种，一是增大门级电阻，这种办法的原理是减慢PN结的充电电流，让开关暂态过程变慢。另外一种是降低电压，也是让暂态过程变慢，这两种方法都会提高开关损耗。因此，对于宽禁带器件，需要在开关速度和开关损耗之间做一个取舍。从根上解决EMI的办法还是减小寄生参数，把电路板设计好，在绝缘和散热足够的情况下，尽量减小走线距离，增大走线宽度。
最后，附上作者的话: The little voice inside never grows any older. 尽管作者已然仙逝，但是科学真理会永远流传。
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：懒得起名
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