今天这篇文章对SiC、GaN器件，做一全面对比，包括材料、器件、性能、应用四大板块，
（1）材料特性：
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不同的应用场景，肇始于材料特性之差异，
上图是几种WBG（Wide Bandgap，宽禁带）材料的基本特性，
EG是禁带宽度，Ecrit是临界击穿场强，μe是电子迁移率，Vs是电子饱和漂移速度，κth是热导率，
相比Si，WBG材料（SiC和GaN）均具备更高的临界击穿场强和更高的热导率，这些优势使其能够实现更高耐压、更低导通电阻。
这里提一句，很多人对WBG材料这种表述方式不熟悉，
其实专业表述方式，正是宽禁带半导体，而不是第三代半导体，
国外并没有“第几代半导体”这种说法，碳化硅、氮化镓、氧化镓之类的材料，一律称为宽禁带半导体，
国内这种第一代、第二代、第N代的划分，大概是为了方便讲故事，创造出来的概念。
回归主题，
作为宽禁带半导体材料的代表，近年SiC器件与GaN器件的竞争，甚嚣尘上，
但，由于材料的不同特性，我们更应该期待不同技术的共存，让不同材料，专注于不同的应用场景。
介绍一个概念，生态位”（niche），
即便在一个狭小空间，也可能共存很多物种，因其生态位的不同，彼此不产生竞争。
比如，森林的生态系统，由五个层次构成，
自下而上，
第一层是土壤，
第二层是低矮草皮，
第三层是灌木，
第四层是乔木，
第五层是森林上空。
每一层次，各自生活着不同种类的生物，层次之间，因其生态位的不同，不发生直接竞争。
恰似SiC器件之于高压场景，GaN器件之于高频场景，
森林生态系统的垂直分层，本质上是资源（阳光、养分）的梯度分布，导致生态位分化，
电子器件的应用场景分布，本质上是电参数（耐压、频率）的梯度分布，导致应用生态位分化。
更重要的是，不同生态位之间的生物，存在共生关系，
恰似不同应用场景的各种器件，合力发挥某种功能。
比如，电动汽车中，SiC器件负责高压主驱，GaN器件负责低压辅助电源，Si器件处理控制信号，
恰似乔木、灌木和苔藓在森林中各司其职。
这，便是趋异的思路——不需要使对方出局，双方占据不同生态位，享受不同资源，发挥不同功能。
当然，某些时候，不同生态位之间会出现重叠，竞争在所难免。
前几年，SiC MOSFET主要应用于650V及以上耐压区间，
GaN HEMT则受限于横向结构（源漏在同一平面），耐压难以做高，主要应用于650 V以下耐压区间。
目前，双方都试图进一步开辟市场，
SiC通过降低成本的方式，尝试进入中低压，
GaN通过缓冲层优化等技术，尝试进入中高压，
可以预见，在650V ~ 1200V领域，两种器件将出现激烈竞争，
恰似灌木和乔木对资源的竞争。
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第一种引起电力电子领域关注的WBG半导体材料，是SiC，
那大概是1980年，因为SiC与Si的工艺兼容性，即，它是唯一可以通过干氧形成SiO2（作为栅氧）的化合物半导体材料。
1990年左右，SiC肖特基二极管首次实现商业化，
此后，随着技术的发展，SiC得以在高达1700 V的耐压范围内应用于MOSFET、结型场效应晶体管(JFET)和二极管。
而GaN器件历史，始于发光二极管(LED)领域，
1990年左右，GaN开始在电力电子领域引起关注。
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)，充分利用GaN的材料优势：二维电子气(2DEG)的存在，使其可以同时实现低导通电阻、高开关频率。
相比第一个商用SiC器件，第一个商用GaN功率场效应晶体管(FET)，晚出现10年。
如今，得益于学界、业界的持续努力，市场上已经可以见到额定电压高达1200 V的GaN HEMT，
当然，大多数GaN HEMT产品的额定电压不高于650 V。
（2）器件结构：
以上，都在解释SiC、GaN的材料特性，
接下来，聊聊器件结构。
功率晶体管欲实现商业化，必须满足三个要求：
1）能够承受足够高的电压和功率，
2）具有低开关损耗和导通损耗，
3）实现常关功能，
WBG半导体材料的固有特性，使其适合制造符合前两种条件的器件，
当然，根据衬底、外延等技术难度的大小，以及随之而来的成本高低，不同材料的器件结构可能存在明显差异，
比如SiC商用器件是垂直结构，GaN商用器件是横向结构。
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上图是几种主要的SiC、GaN器件结构，
目前，市场上的SiC晶体管主要有二：垂直MOSFET（平面栅或沟槽栅）、共源共栅垂直JFET（cascode JFET），
两种结构都可实现常关功能，
其中，平面MOSFET如图（a），沟槽MOSFET如图（b）, JFET如图（c）,
平面和沟槽SiC MOSFET，各位想必很熟悉，
至于JFET，观察图中的Gate，会发现，它位于沟槽之中，
市场上主流的SiC JFET，同样采用沟槽结构，对沟槽侧壁和底部进行P型注入，
与ROHM双沟槽SiC MOSFET的源槽设计，异曲同工。
具体参考这篇文章，
另外，解释一下cascode，
cascode，共源共栅，可以理解成将两个器件级联，形成一个复合器件，
为什么要这么做？
一般是因为某种器件不易驱动，比如是常开型，
于是将其与一个常关的器件（如Si MOSFET）级联，一并封装，使其转换为易于驱动的常关型器件，
封装成单管后，看上去也是一个标准的、正压驱动的三端功率器件（G, D, S），但其实里面有两种器件。
前已论述，GaN可以实现HEMT，但，AlGaN/GaN HEMT是一种常开器件，不适用于需要失效保护的功率应用场景。
这里提一句，业界所谓fail-safe power applications，直译“故障导向安全应用”，
意思是，任何单一故障发生时，系统必须自动进入安全状态（通常为关断/零功率输出），
常开型器件，0V驱动下处于导通状态，可能形成浪涌电流，导致系统失控，
常关型器件，栅极驱动失效时，器件自然关断，功率路径切断，符合安全原则。
因此，功率晶体管欲实现商业化，要求之一便是常关型。
GaN器件欲实现常关功能，主要有两种技术：
1）使用p-GaN栅极堆叠，如图（d）所示，
2）使用共源共栅结构，如图（e）所示。
前者的原理是，在AlGaN之上，生长p型GaN（掺Mg），栅金属与p型GaN形成肖特基接触，
零栅压下，p型GaN的空穴与AlGaN/GaN界面的2DEG电子复合，降低沟道电子浓度，实现常关。
后者的原理是，将Si MOSFET与GaN HEMT串联，借助Si MOSFET控制GaN HEMT沟道的开关，
Si MOSFET的源极，接GaN HEMT的栅极，
驱动电压为0，HEMT栅极通过Rg下拉至负电压，使得沟道关断，
驱动电压大于0，HEMT栅极被拉至Si MOSFET源极电位，沟道开启。
p-GaN栅极堆叠，是单芯片方案，
共源共栅结构，是两种芯片混合封装方案，
目前，这两种结构是市场上仅有的增强型GaN FET实现方案。
（3）性能对比：
聊完器件结构，再聊聊器件的电性能对比，
通过数据，定量对比Si、SiC、GaN三种材料器件，
耐压级别选择650 V，连续漏极电流选择30 A至50 A，典型导通电阻选择50 mΩ左右，
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这张雷达图，对比五种器件的各项参数，包括SiC MOSFET、SiC cascode JFET、GaN e-mode HEMT、GaN cascode HEMT以及Si MOSFET，
GaN e-mode HEMT，增强型HEMT（Enhancement mode），即上文提到的p-GaN栅极堆叠方案，
具体参数方面，
（a）是栅电荷、输入电容及动态FOM值（Ron·QG），
（b）是开关过程中的各种时间。
先看Ron·QG，该值同时考虑了导通损耗和开关损耗，常用于评估晶体管工作效率，越小，意味着损耗越低。
GaN e-mode HEMT的Ron·QG值最低，相比GaN cascode HEMT，降低两倍，相比SiC和Si器件，降低四倍以上。
仅看动态参数，GaN e-mode HEMT的输入电容Cin最小（200 pF以内），GaN cascode HEMT的输入电容Cin较高（因为多了驱动器件），
而SiC MOSFET的Cin高于900 pF，
Si MOSFET的Cin最高，达到数千pF。
另外，由于不存在体二极管，GaN增强型HEMT的反向恢复电荷为0，
SiC MOSFET和GaN cascode HEMT的反向恢复电荷约为100 nC，而Si MOSFET的反向恢复电荷达到数千nC。
高反向恢复电荷会降低转换器效率，引起电压电流尖峰，在这一点上，GaN增强型HEMT有着明显优势。
导通延迟时间(tdon)、上升时间(tr)、关断延迟时间(tdoff)和下降时间(tf)的对比如图（b），这些参数反映器件快速开通和关断的能力，
平均来看，GaN e-mode HEMT用时最短，性能最佳，但与其他器件的差异并不明显。
由于驱动器件的存在，GaN cascode HEMT的各项时间参数长于GaN e-mode HEMT，与SiC和Si器件相当，
若以快速开通、关断能力作为评价标准，上述五种器件中，GaN e-mode HEMT最优。
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不限于650V，拓展到更高耐压领域，
这张雷达图，对比650 V、900 V以及1200 V三种耐压级别的三种不同材料的器件，
具体数据不赘述，
结论是——即便在更高耐压范围内，GaN器件也具有更优的动态特性，本质上，这是材料特性决定。
但必须强调，在900V-1200V耐压范围内，市场上只有可供选择的GaN商用产品并不多，而SiC MOSFET可以轻松实现1700 V耐压，且有来自众多知名供应商的数十种选择。
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这张大表，将来自十余家供应商的二十余款产品进行对比，非常齐全，
从成本角度分析这些产品，
650V级别，GaN分立器件单价比Si器件高30%左右，SiC分立器件单价比Si器件高50%左右，
但所有650V分立器件的售价都低于18美元，这意味着价差有限。
更高耐压级别，Si器件价格与SiC器件趋平，
相比650V GaN器件，更高耐压GaN器件价格提升20%。
以上价格对比的结论是——选择SiC或GaN对转换器的BOM（物料清单）成本影响有限。
且，SiC/GaN器件的主要价值，体现在系统级成本优势，
它们允许转换器工作在更高频率，这意味着可以使用更小更便宜的无源元件（电感、电容），进而降低系统成本。
以上两张雷达图可表明，为什么 在高压高功率领域，电力电子正转向 SiC 和 GaN 等宽禁带半导体器件。
（4）应用场景：
最后聊聊两种器件的应用场景，
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先看这张图，横轴频率，纵轴功率，
靠左的三种器件分别为Si MOSFET、Si SJ MOSFET以及Si IGBT，
靠右的两种器件分别为SiC MOSFET、GaN HEMT，
非常直观地看到，SiC MOSFET和GaN HEMT使得功率器件向更大功率、更高频率的方向，进一步发展，
且SiC MOSFET的优势在于更大功率（纵轴方向延伸更多），
GaN HEMT的优势在于更高频率（横轴方向延伸更多）。
相比Si器件，如采用SiC和GaN器件，因其高频、高效（发热量降低）特性，外围元件（电感、电容、变压器、散热）可以进一步精简，整个功率转换器系统的体积得以缩小，
用更加紧凑的整体结构，实现更高的功率密度，这便是WBG器件的优势。
目前，SiC、GaN器件主要应用于两种不同领域，
前者广泛应用于混动、电动汽车的牵引逆变器（特斯拉自2017年起开始使用SiC器件），同时在电动汽车乃至跑车赛车的车载充电器（OBC）和牵引逆变器中也有应用，
因此，SiC器件目前主要面向汽车市场。
而GaN器件主要用于PC、智能手机的电源和充电器，更侧重于消费电子产品。
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这张图，对比SiC/GaN器件具体应用场景的差异，
仍然以耐压为分界线，400V以下，GaN主导，1200V以上，SiC主导，
自上而下，
1200V以上，SiC器件应用领域包括风力发电、智能电网和列车牵引，
400V~1200V，SiC/GaN器件共存，应用领域包括光伏逆变器（PV inverters）、混动电动汽车（HEV、EV），以及工业电机控制（Ind. motorcontrol ），
400V 以下， GaN 器件应用领域包括家用电器、 PC 和智能手机充电器，以及数据中心（服务器电源） 。
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这张图，展示了混动/电动汽车（HEV/EV）的主要电力电子系统架构，并标注关键模块，对不熟悉汽车构造的芯片从业者来说，很有价值。
简单介绍一下，
1）Off-Board Charger，外部电源，即公共或家用直流充电桩，
2）On-Board Charger, OBC，车载交流充电机，这玩意集成在车里，作用是将家用交流电转换成直流电，为高压电池充电，
3）Traction Inverter，牵引逆变器，将电池的高压直流电逆变为三相交流电，控制电机转速，直白地说，它可以将电能转化为机械能。
4）HV Battery，高压电池，用于存储电能，驱动电机，
5）LV Battery，低压电池（一般为12V），传统汽车电瓶的替代品，为车灯、音响等低压设备供电，由高压电池通过DC-DC转换器维持电量，
6）DC/DC，高压→低压转换器（如400V转12V），将高压电池的电能转换为12V，为低压系统供电，
7）ADAS/Infotainment，辅助系统，包括高级驾驶辅助与车载娱乐系统，由低压电池或DC/DC转换器供电。
关于两种器件的电路拓扑，也简单提几句，
不同应用场景下，功率器件应采用不同电路拓扑结构（circuit topologies），主要决定因素包括电压、功率和开关频率，
先说GaN器件，
低功率（<70W）应用，如USB-C适配器（常说的Type-C充电器），
这一应用场景，无需PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）电路，主流拓扑是准谐振反激变换器(Quasi-resonant flyback)和有源钳位反激变换器(Active-clamp flyback)，
中高功率（70W~250W）应用，采用多级拓扑，前端必须包括PFC电路，后续的DC-DC可以采用反激拓扑或桥式拓扑(如半桥、全桥)。
更高功率（>250W）应用，必须采用软开关或零电压开关(ZVS)拓扑以降低损耗，尤其是谐振LLC拓扑。
而SiC器件，主要应用于高功率场景，已形成模块化产品，
主要通过桥式拓扑或斩波器拓扑(Chopper,如牵引系统)，构成逆变器，以处理高功率。
小结：
1）材料：SiC商用器件是垂直结构，GaN商用器件是横向结构，有此差异，本质上，还是材料特性的差异，造成衬底、外延等技术难度大小不同，进而导致成本的高低，
2）材料：电子器件的应用场景分布，本质上是电参数（耐压、频率）的梯度分布，导致应用生态位分化，如SiC器件之于高压场景，GaN器件之于高频场景，
3）器件：商用SiC晶体管主要有二：垂直MOSFET（平面栅或沟槽栅）、共源共栅垂直JFET（cascode JFET），而GaN器件欲实现常关功能，主要有两种技术：p-GaN栅极堆叠、共源共栅结构，
4）性能：从650V到1200V，相比Si器件和SiC器件，GaN器件具有更优的动态特性，包括更低的Ron· QG值，更优的快速开通和关断能力，
5）成本： 选择SiC或GaN对转换器的BOM（物料清单）成本影响有限，且SiC/GaN器件的主要价值体现在系统级成本优势，通过使用更小更便宜的无源元件（电感、电容）降低系统成本，
6）应用：SiC MOSFET和GaN HEMT使得功率器件向大功率、高频率的方向进一步发展，前者主攻大功率，后者优势在于高频，
7）应用：SiC器件广泛应用于混动、电动汽车的牵引逆变器，主要面向汽车市场，GaN器件主要用于PC、智能手机的电源和充电器，更侧重于消费电子产品。
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