SiC, GaN…新型半导体材料为何如此火爆？

功率器件是系统能效的关键，广泛影响着从小家电到外太空技术各个领域。近年来，电动汽车、移动应用、可再生能源等领域的普及对更高效的 SoC 和系统提出了更高需求，同时也对更高效率和功率密度的半导体功率器件提出了更高需求，功率器件逐渐成为焦点。此外， 减少碳排放的需求也间接推动了半导体功率器 件的发展。据 Mordor Intelligence 预测，到 2028 年，这一市场的价值将从今年的 418.1 亿美元增长至 492.3 亿美元。

如何开发高能效的半导体功率器件成为挑战，制造商开始采用碳化硅（ SiC ）和氮化镓（ GaN ）等新型半导体材料，同时增加设计复杂性。本文将与各位开发者共同探讨开发高效半导体功率器件的条件。

新型半导体材料有助于降低功耗，实现更紧凑的外形设计

功率半导体开关和控制机制可将功率从一种形式转换到另一种形式，为终端系统提供稳压和受控电源。过去，功率器件一直依赖于 MOS 技术，例如使用功率 MOSFET （即 MOS 场效应晶体管）来控制电路中的大电流或大功率，并作为分立组件用在开关电源和电机控制器中。电源管理 IC （ PMIC ）既可嵌入标准芯片，也可用作独立器件，执行 DC-DC 转换、电池充电和电压调节等功能。总之， MOS 技术构成了 PMIC 市场的基础。

SiC和GaN凭借电阻率更低、工作温度和开关频率更高，以及更出色的效率和功率密度等诸多优势，逐渐受到行业青睐。在纯电和插电式混动汽车领域，SiC热度迅速飙升，因此业内也在积极探索其在火车、卡车、飞机和轮船等大型运输系统中的应用，并有望在十年内成为功率器件中的主要材料。笔记本电脑充电器的开发者也正尝试从MOS转向GaN，致力于设计出更小巧、更高效且更可靠的电源。

导通电阻是决定效率的关键要素，有利于进一步优化功率。电阻会产生热量，这意味着功率损耗。当晶体管导通时，输入端与输出端之间的电阻是多少？与MOS相比，SiC和GaN的电阻都更低，因此更有助于提高系统效率。下表为不同器件组件的电阻值。

无论是MOS、SiC还是GaN，要想获得更高效的器件，就必须采用更大规模的设计来降低导通电阻。然而，大规模设计也带来了新的挑战，即如何确保器件的一致导通性。如果器件的某个部分需要更多时间才能导通，总电流会流向已经导通的部分，导致这些部分的电流密度高于预期，影响可靠性。下图为CMOS器件中metal-3层的电流密度，并突出显示了电流密度最高的区域。

功率器件布线错综复杂，市面上用于准确分析效率和可靠性的专业工具数不胜数。  但在设计规模持续扩大的过程中，许多此类工具却性能不足，无法满足需求。此外，综合全面的分析还必须考虑到封装的影响。

显然，面对持续的竞争压力和紧迫的上市时间目标，开发者需要采用更高效的方法来构建更为可靠持久的功率器件，满足众多应用的需求。

用于优化半导体功率器件的完整解决方案

如果解决方案能够自动化执行功率器件的优化流程，将能极大地缩短周转时间，助力实现质量目标。新思科技的Power Device WorkBench就是这样一款解决方案。

Power Device WorkBench专为优化功率晶体管而设计，通过细致分析和仿真复杂金属互连中的电阻和电流来提高效率与可靠性，帮助开发者优化设计的尺寸、可靠性、时序和温度等参数。该解决方案搭载高吞吐量仿真引擎，可自动纠正电迁移违例，协助识别设计布局的不足，从而提高效率和时序。

综上所述，也就不难理解为何功率电子元件市场能够发展得如火如荼。功率器件在众多领域中占据核心地位。我们日常使用的一系列电池供电设备，还有发展势头强劲的汽车电气化和可再生能源，都是促进功率器件需求加速增长的关键驱动力。

与此同时，开发者正试图将更多功能集成到单个芯片中，并致力于达成高效能和小尺寸目标，这使得器件本身变得越来越复杂。对此，像Power Device WorkBench这样的完整功率优化解决方案可帮助开发者克服重重难关，引入能够进一步提高器件效率的新材料，并解决由此带来的挑战。