【知识探索】半导体材料如何影响电动汽车电力电子器件

        不同的半导体材料具有不同的特性，这些特性会影响它们在电动汽车（EV）应用中的热性能和功率效率。显著的材料特性包括禁带宽度、临界电场、电子迁移率、电子饱和速度和热导率。

        本文解释了每种材料特性如何影响电力电子器件，并讨论了六种半导体材料，以确定它们各自如何适合电动汽车电力电子应用。

图 1. 半导体材料特性如何影响电力电子设计中的热管理和效率的流程图。

        图 1 显示了以电子迁移率、击穿场和热导率为半导体材料特性的流程图，以了解它们对电力电子设计的影响。流程图清楚地表明，这些材料特性并不是独立的，而是相互关联的。

        对于半导体材料要充当导体，电子应该从价带移动到导带。实现这一过程所需的能量称为带隙能，如图 2 所示。

        当半导体材料具有更宽的禁带宽度时，可以在不发生电击穿的情况下在半导体上施加更高的电压。这还会导致驱动区域更薄并降低导通电阻。

        当导通电阻降低时，会导致更低的导通损耗。这反过来又会产生更少的热量，从而更容易进行冷却。较低的导通损耗还能提高半导体器件的效率。

        临界电场是击穿时的最大场强，通常随禁带宽度增加而增加。较高的临界电场也意味着半导体材料具有更高的阻断电压能力。

图 2. 半导体价带和导带之间的带隙能示意图。

        半导体材料的电子迁移率衡量电子在施加电场时移动的速度。因此，对于更高的电子迁移率，电子移动更自由，从而提高导电性。

        当电子更具迁移性时，开关速度也会增加，电力电子中更高的开关速度意味着需要更小的无源元件。因此，整体产品的尺寸以及用于热管理的散热器尺寸都会减小。

        电子饱和速度是电子在电场影响下可以达到的最大速度。vs 值越高，器件在没有过度压降的情况下处理更高电流密度的能力越强。因此，当功率密度增加时，产品的外形尺寸会减小。

        热导率直接代表了半导体器件处理工作温度的能力。热导率更高的半导体可以在不增加冷却系统需求的情况下耗散更多热量。

        电动汽车电力电子应用中最常用和商业上广泛使用的半导体材料是硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。

        然而，还有三种半导体材料具有有前景的特性，但它们仍处于研究和开发阶段。它们是氧化镓 (β-Ga₂O₃)、金刚石和氮化铝 (AlN)。图 3 汇总了所有六种半导体的材料特性。

图 3. 硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、金刚石和氮化铝材料特性的比较。

        根据图 3，分析了这六种半导体，并查看每种材料在各自材料特性方面的表现。

        硅 (Si)：由于其成熟的技术，Si 是最常见和商业上大规模用于各种电力电子应用的材料。然而，其较低的禁带宽度和临界电场意味着它具有较低的电压阻断能力，不适合电动汽车应用。其热导率也不令人满意，导致散热性差，并且无法像电动汽车那样处理更高的温度。

        碳化硅 (SiC)：SiC 在电动汽车电力电子器件方面具有良好的材料特性平衡。它提供更高的禁带宽度和临界电场，从而实现更高的工作电压。SiC 的热导率也比 Si 高得多。这使得效率更高、工作温度更高，并减少了冷却需求。 

        氮化镓 (GaN)：GaN 的特点是其高电子迁移率，这使得其在电动汽车的高频应用中具有更高的开关速度。更高的临界电场也意味着更低的导通电阻，从而导致更低的导通损耗。但其热导率仅为 SiC 的三分之二，这引起了电力电子工程师对热管理的担忧。

        氧化镓 (β-Ga₂O₃)：氧化镓更高的禁带宽度和临界电场有助于实现更高的器件工作电压。然而，低电子迁移率和较差的热导率意味着它不是电动汽车电力电子应用的半导体材料选择。

        金刚石：金刚石具有最高的热导率，几乎是 GaN 的 10 倍，并且电子迁移率非常高，达到 4500 cm²/Vs。其他特性也与 GaN 的特性相当，但在掺杂和制造方面存在挑战。金刚石成本也高得多，这增加了其商业用途的限制。

        氮化铝 (AlN)：氮化铝在这六种材料中具有最高的禁带宽度和临界电场。需要进一步研究来克服其较低的电子迁移率和不成熟的制造技术。

        对于电动汽车电力电子应用，最合适的半导体材料是 SiC 和 GaN，因为与 Si 相比，它们具有更宽的禁带宽度和更高的热导率。有前景的半导体材料，即氧化镓、金刚石和氮化铝，需要更好的制造工艺、降低成本和进一步研究，才能使其适用于电动汽车应用。