碳化硅的超強(qiáng)性能

隨著我們步入由物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能驅(qū)動(dòng)的新計(jì)算時(shí)代，市場(chǎng)對(duì)能源效率更高的芯片的需求正在增長(zhǎng)。在這種背景下，我們通常會(huì)想到摩爾定律以及減少晶體管大小。

然而，電力半導(dǎo)體的進(jìn)步并不完全取決于節(jié)點(diǎn)尺寸的減小。硅電力開關(guān)，如MOSFETs和IGBTs，被設(shè)計(jì)用來處理12V到+3.3kV的電壓和數(shù)百安培的電流。這些開關(guān)管理著大量的電力！然而，他們的能力有限，這正推動(dòng)著新材料如碳化硅（SiC）的開發(fā)。在這種材料中，電子開始自由運(yùn)動(dòng)需要的能量是普通硅的三倍。這種更寬的帶隙賦予了材料一些有趣的特性，如更快的開關(guān)速度和更高的功率密度。讓我們來看一下兩個(gè)SiC設(shè)備可以帶來顯著好處的應(yīng)用案例。

SiC在汽車業(yè)的應(yīng)用

據(jù)Yole Developpement研究公司，目前全球已有超過10億輛汽車。到2017年為止，190萬(wàn)輛汽車歸屬于電動(dòng)車，即總體的0.2%。預(yù)計(jì)到2040年，這個(gè)比例將增長(zhǎng)到50%，因此提高電力效率的影響將相當(dāng)重大。

電動(dòng)汽車通常有一個(gè)主馬達(dá)驅(qū)動(dòng)車輪。六個(gè)電力晶體管和二極管被用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。每個(gè)晶體管需能封鎖700V并切換幾百安培的電流。大多數(shù)電力開關(guān)采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，這意味著它們每秒被開啟和關(guān)閉數(shù)千次。當(dāng)一個(gè)晶體管在開啟和關(guān)閉時(shí)，狀態(tài)之間會(huì)有一個(gè)過渡延遲。在電力應(yīng)用中，關(guān)鍵目標(biāo)是盡可能快地切換設(shè)備以最小化浪費(fèi)的電力并實(shí)現(xiàn)更高的效率。

優(yōu)化的開關(guān)性能、低離子阻抗和高擊穿電壓使SiC設(shè)備成為傳統(tǒng)硅電力MOSFET、DC-DC轉(zhuǎn)換器、不間斷電源和電機(jī)應(yīng)用的理想替代品。

概括來說，SiC MOSFETs 可以幫助提高電動(dòng)汽車的行駛范圍。它們可以用更少的電力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電機(jī)。更高的切換頻率導(dǎo)致了更高的功率密度和更小、更輕的馬達(dá)。減少浪費(fèi)的熱量可以使用更小和更輕的散熱器，進(jìn)一步優(yōu)化車重和續(xù)航里程。

SiC在太陽(yáng)能應(yīng)用

另一個(gè)SiC的應(yīng)用是太陽(yáng)能逆變器，其尺寸可能只有基于IGBT解決方案的一半。SiC更快的切換速度意味著制造商可以減少系統(tǒng)中的無源元件的尺寸。大型電容器和變壓器可以被較小的替代品取代。散熱片的尺寸可以減小。隨著系統(tǒng)效率的提高，能量的捕獲也會(huì)最大化。

SiC目前的缺陷

雖然SiC設(shè)備具有令人興奮的潛力，但也存在制造問題。主要的挑戰(zhàn)是基板缺陷?；嫖诲e(cuò)和螺型位錯(cuò)可能會(huì)產(chǎn)生“致命缺陷”，需要減少這類缺陷，以便SiC設(shè)備達(dá)到商業(yè)成功所需的高產(chǎn)量。應(yīng)用材料公司正在與包括SiC晶圓制造商和IDM在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)參與者合作，專門解決SiC的制造問題。

許多行業(yè)預(yù)測(cè)人士認(rèn)為，SiC最終將在更高的電壓和電力應(yīng)用中取代硅。隨著整個(gè)行業(yè)對(duì)SiC的接受，我們可以應(yīng)對(duì)更大的電力和效率挑戰(zhàn)，幫助使世界變得更好。