【導讀】如今，大多數半導體都是以硅（Si）為基材料，但近年來(lái)，一個(gè)相對新的半導體基材料正成為頭條新聞。這種材料就是碳化硅，也稱(chēng)為SiC。目前，SiC主要應用于MOSFET和肖特基二極管等半導體技術(shù)。
如今，大多數半導體都是以硅（Si）為基材料，但近年來(lái)，一個(gè)相對新的半導體基材料正成為頭條新聞。這種材料就是碳化硅，也稱(chēng)為SiC。目前，SiC主要應用于MOSFET和肖特基二極管等半導體技術(shù)。
SiC相較于Si的優(yōu)勢是什么？
在根本上，碳化硅（SiC）被視為寬禁帶半導體，相較于傳統的Si半導體，具有固有的優(yōu)勢。SiC的材料特性導致了以下較高的優(yōu)點(diǎn)：
1. 突破場(chǎng)
2. 電子漂移速度
3. 熱導率
突破場(chǎng)
更高的突破場(chǎng)使得器件能夠承受更高的電壓，同時(shí)保持相同的面積。這使得器件設計者可以增加用于電流流動(dòng)的面積，從而降低單位面積的電阻，即Rsp。器件的電阻直接影響導電損耗，因此更小的Rsp將導致更低的損耗，從而提高效率。
電子漂移速度
電子漂移速度指電子在電場(chǎng)作用下在材料中移動(dòng)的速度。在SiC半導體中，電子漂移速度是Si基半導體的兩倍。電子移動(dòng)得越快，器件切換的速度就越快。由此快速切換帶來(lái)兩個(gè)好處：一是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的功率損耗較低，二是更高的切換頻率允許使用更小的磁性元件和電容器。
熱導率
SiC的熱導率大約是Si的三倍，它將其他特性的優(yōu)點(diǎn)相互聯(lián)系在一起。熱導率決定了熱量從半導體結到外部環(huán)境的傳遞速度。這意味著(zhù)SiC器件可以在高達200°C的溫度下運行，而Si通常限制在150°C。
結合這三個(gè)優(yōu)勢，系統設計者可以設計出更高效的產(chǎn)品，同時(shí)使其更小、更輕，最終降低成本。盡管眾所周知SiC器件相較于Si等效器件更昂貴，但使用更小的被動(dòng)元件和較少的熱管理可以降低整體系統成本約20%。碳化硅的材料特性使其在高功率應用中非常有優(yōu)勢，特別是需要高電壓、高電流、高溫度和高熱導率以及整體重量較小的領(lǐng)域。MOSFET和肖特基二極管（在離散和功率模塊封裝中）是主要應用SiC的技術(shù)。
碳化硅的實(shí)際應用優(yōu)勢
碳化硅正在被廣泛應用于多個(gè)領(lǐng)域，例如電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能逆變器、能量?jì)Υ嫦到y和電動(dòng)汽車(chē)充電站。它為系統設計者和制造商帶來(lái)了多重優(yōu)勢，那么這些優(yōu)勢又如何轉化為最終產(chǎn)品的消費者的好處呢？
首先，讓我們來(lái)看看電動(dòng)汽車(chē)（EV）。限制廣泛采用EV的主要原因是續航焦慮。通過(guò)使用碳化硅，EV的續航里程可以增加超過(guò)7％。僅僅通過(guò)從IGBT逆變器轉換為SiC逆變器，就可以對續航里程產(chǎn)生顯著(zhù)影響。優(yōu)勢并未止于此。SiC的應用還解決了EV采用的挑戰：成本。EV中最昂貴的部分是電池。如果使用SiC使EV的續航里程增加7％，同時(shí)保持續航里程與非SiC基準相當，還可以使電池容量減少7％。更小的電池組將直接導致EV的總體成本降低。這就是為什么SiC在EV中應用如此強大，并且正推動(dòng)SiC制造商的大額收入預測。
與EV相關(guān)的還有EV充電站及其充電基礎設施的建設。在EV充電站的情況下，一個(gè)主要考慮因素是功率密度。在這方面，碳化硅起到了作用，使系統設計者能夠在相同體積內傳輸更多功率，或者保持功率不變，同時(shí)將體積減少300％。在相同體積內提供更多功率是使用碳化硅用于EV充電站的主要驅動(dòng)力。目標是使充電站能夠在與人在加油站停留的時(shí)間相同的時(shí)間內為EV充電。這只有通過(guò)增加充電站向EV傳送的功率來(lái)實(shí)現。
碳化硅還通過(guò)制造更小、更輕的太陽(yáng)能逆變器，有助于可再生能源市場(chǎng)。利用SiC所能實(shí)現的更快的切換頻率，太陽(yáng)能逆變器可以使用更小、更輕的磁性元件。根據功率級別的不同，太陽(yáng)能逆變器的重量可以小于五十磅。五十磅是由職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）規定的個(gè)人最大舉重限制。超過(guò)五十磅的舉重設備需要兩個(gè)或更多人，或者使用舉升設備。通過(guò)創(chuàng )建一個(gè)更輕的太陽(yáng)能逆變器，組織只需要一個(gè)人進(jìn)行安裝。這降低了安裝成本，對于安裝人員和消費者而言更具吸引力。這種優(yōu)勢同樣適用于壁式EV充電器。當然，使用碳化硅在太陽(yáng)能逆變器中還有其他實(shí)際好處，例如整體效率提升和系統成本降低。
工業(yè)電機驅動(dòng)也因轉換至SiC而受益。碳化硅提供了電機逆變器的效率改進(jìn)、尺寸縮小和散熱增強，從而使電機驅動(dòng)可以本地安裝或安裝在電機本身上。這降低了對多個(gè)長(cháng)電纜返回電源柜的需求，而使用Si IGBT的解決方案需要數百英尺昂貴且復雜的電纜。通過(guò)SiC解決方案，只需要2條電纜連接至電源柜。這消除了數百英尺昂貴且復雜的電纜，對于七電機伸縮機械臂等示例中使用SiC的解決方案而言，這將大大節省成本。
用碳化硅推動(dòng)世界向脫碳發(fā)展
電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)直接減少由交通運輸產(chǎn)生的二氧化碳排放量，為脫碳做出貢獻。電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有尾氣排放，但它們消耗的電力來(lái)自二氧化碳排放源。加入這些排放量后，美國能源部平均將電動(dòng)汽車(chē)的年排放量約為2,817磅二氧化碳，而使用汽油的汽車(chē)則為12,594磅二氧化碳。這意味著(zhù)大氣中排放的二氧化碳量減少了78%。
電動(dòng)汽車(chē)充電站對脫碳沒(méi)有直接影響，但如果沒(méi)有牢固的直流快速充電站基礎設施，電動(dòng)汽車(chē)的普及將受到限制。續航焦慮仍然是影響電動(dòng)汽車(chē)普及的重要原因。90%的美國家庭擁有一輛電動(dòng)汽車(chē)，而其它車(chē)輛很可能不是電動(dòng)汽車(chē)。這些數據突顯出消費者對電動(dòng)汽車(chē)能否滿(mǎn)足所有需求，特別是長(cháng)途旅行的信心不足。
自2009年以來(lái)，光伏太陽(yáng)能發(fā)電的成本下降了近90％，使其成為2020年時(shí)以37美元/兆瓦時(shí)的最低成本能源發(fā)電來(lái)源。相比之下，煤炭的成本為112美元/兆瓦時(shí)，天然氣為59美元/兆瓦時(shí)。太陽(yáng)能使世界能夠以零二氧化碳排放的方式產(chǎn)生能源，同時(shí)成本又是其他能源來(lái)源的最低。碳化硅不能完全歸功于這種成本降低，但它是太陽(yáng)能發(fā)電成本降低的一個(gè)原因。
世界正朝著(zhù)更多地使用電能發(fā)展，因此改進(jìn)消耗電能設備的效率非常重要。電動(dòng)機占據了世界電力消耗的40-50％。將這些電動(dòng)機設計得高效率至關(guān)重要，因為即使是小幅度的效率提高，也會(huì )因全球大量電動(dòng)機的使用而得到放大。
碳化硅不僅加速了現有應用領(lǐng)域的脫碳進(jìn)程，還推動(dòng)了之前不可行的應用領(lǐng)域。其中一個(gè)例子是電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器。就像碳化硅為電動(dòng)汽車(chē)提供了續航里程一樣，它也為eVTOL提供了延長(cháng)的續航里程，使其更具實(shí)用性。
碳化硅半導體通過(guò)使終端系統更高效、可靠、強大、更小、更輕和整體成本更低，有助于加速這些應用的采用。
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