碳化硅寬帶隙半導(dǎo)體有什么好處

寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體極大地影響了使用它們的設(shè)備的可能性。材料的帶隙是指電子從半導(dǎo)體價(jià)帶的最高占據(jù)態(tài)移動(dòng)到導(dǎo)帶的最低未占據(jù)態(tài)所需的能量。

常規(guī)硅具有 1.1-eV 的帶隙。然而，WBG 半導(dǎo)體，例如由碳化硅和氮化鎵制成的半導(dǎo)體，通常具有 2 到 3 倍的帶隙。

下面詳細(xì)了解為什么人們?cè)絹碓接信d趣為其項(xiàng)目選擇 SiC WBG 半導(dǎo)體。

理想的電熱特性

碳化硅半導(dǎo)體可以以更快的開關(guān)速度更好地處理更高的能量水平。更高的電熱導(dǎo)率意味著人們可以通過選擇 SiC 半導(dǎo)體來節(jié)省成本。這樣做可以讓他們縮小開關(guān)設(shè)計(jì)中常用的變壓器和電感器等組件的尺寸。

設(shè)備的熱導(dǎo)率與散熱的難易程度有關(guān)。由于 SiC 的導(dǎo)熱性比硅好得多，因此當(dāng)優(yōu)先事項(xiàng)之一是防止設(shè)備過熱和發(fā)生故障時(shí)，它是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。相反，在過熱后冷卻具有低導(dǎo)熱率的半導(dǎo)體更加困難。這可能會(huì)導(dǎo)致性能質(zhì)量暫時(shí)下降。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與硅制成的半導(dǎo)體相比，SiC WBG 半導(dǎo)體可以在更高的溫度下安全運(yùn)行。這使得它們成為必須在炎熱、惡劣的環(huán)境中工作而不會(huì)遭受性能損失的設(shè)備的理想選擇。

更好的能源效率

SiC WBG 半導(dǎo)體也可能比由硅制成的半導(dǎo)體更節(jié)能。原因之一是它減少了功率損失的情況。

人們還對(duì)將 SiC 半導(dǎo)體用于電動(dòng)汽車 (EV) 充電器感興趣。最近的一項(xiàng)研究有助于說明這一點(diǎn)。它顯示出 13:1 的能源節(jié)約與投資于 SiC 芯片的增量功率比那些由硅制成的芯片。研究人員證實(shí)，這種顯著差異將促進(jìn)更快的充電時(shí)間、更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更輕的充電電子設(shè)備。他們還指出，這些好處將使使用這種半導(dǎo)體技術(shù)的汽車更具可持續(xù)性和更長(zhǎng)的使用壽命。

電動(dòng)汽車行業(yè)的專業(yè)人士不斷尋找創(chuàng)新方法，以確保電動(dòng)汽車車主有足夠的動(dòng)力到達(dá)他們需要去的地方。一些舉措甚至涉及將充電器直接提供給需要它們的人。

像這樣的前瞻性選擇無疑是有用的。然而，如果讓汽車工作的內(nèi)部技術(shù)逐漸提高能源效率，那就更好了。人們應(yīng)該對(duì)將電動(dòng)汽車作為主要交通工具并放棄使用化石燃料的交通工具更感興趣。

碳化硅半導(dǎo)體提供的更高能源效率也可能改變城市獲取電力的方式。與新加坡南洋理工大學(xué)相關(guān)的一個(gè)項(xiàng)目的重點(diǎn)是通過電網(wǎng)節(jié)省能源和成本，同時(shí)提高電網(wǎng)的彈性并減少碳足跡。該計(jì)劃的一部分涉及構(gòu)建一個(gè)包含 SiC 高頻雙向逆變器和轉(zhuǎn)換器的智能電網(wǎng)。研究人員認(rèn)為，這將幫助他們實(shí)現(xiàn)許多目標(biāo)并推動(dòng)電網(wǎng)技術(shù)向前發(fā)展。

增強(qiáng)了對(duì)更小、更輕組件的適用性

當(dāng)今的許多電子產(chǎn)品都在不斷推動(dòng)以適應(yīng)更小、更輕的封裝。SiC 半導(dǎo)體的可用性滿足了這兩種需求。具有更緊湊的電力電子模塊的設(shè)備具有許多吸引制造商和消費(fèi)者的優(yōu)勢(shì)。

減小設(shè)備內(nèi)部功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的尺寸和重量可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)制造商的資本和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)減少。如果這些成本削減被轉(zhuǎn)移，想要這些設(shè)備的人會(huì)發(fā)現(xiàn)它們更實(shí)惠，并認(rèn)為制造商具有競(jìng)爭(zhēng)力。

人們還經(jīng)常提到 5G 網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步將如何通過允許持續(xù)、更準(zhǔn)確的患者監(jiān)測(cè)最終使人們更健康。已經(jīng)進(jìn)行了關(guān)于將 SiC 半導(dǎo)體用于體內(nèi)使用的智能設(shè)備的研究。這表明它們提供的生物相容性使它們?cè)谑褂眠^程中不太可能引起不需要的免疫反應(yīng)。應(yīng)用于深部組織癌癥治療的神經(jīng)植入物和設(shè)備的 SiC 納米技術(shù)是兩個(gè)新興的研究領(lǐng)域。

5G 討論的另一個(gè)常見話題是，它將如何為能夠順利融入人們生活、在后臺(tái)無縫工作的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開辟新機(jī)遇。碳化硅半導(dǎo)體將為這些改進(jìn)鋪平道路，從而產(chǎn)生更時(shí)尚、更強(qiáng)大、高性能的機(jī)器。

有興趣了解 SiC WBG 半導(dǎo)體如何融入其利用 5G 革命的計(jì)劃的公司也將更容易獲得這些好處。Cree 和 Bosch 是最近宣布有意增加 SiC 半導(dǎo)體產(chǎn)量的幾個(gè)品牌。

碳化硅半導(dǎo)體帶來積極發(fā)展

本概述說明了為什么 SiC WBG 半導(dǎo)體具有如此多吸引人的特性，從而證明電子設(shè)計(jì)人員比以前更頻繁地選擇它們是合理的。幾十年來，硅半導(dǎo)體一直很好地服務(wù)于社會(huì)，但它們已無法滿足世界短期內(nèi)的需求。WBG 半導(dǎo)體，包括由 SiC 制成的半導(dǎo)體，將彌補(bǔ)不足。此外，隨著人們嘗試在更廣泛的應(yīng)用程序中使用它們，設(shè)計(jì)人員會(huì)對(duì)哪些項(xiàng)目可能需要使用它們感到更受啟發(fā)。

審核編輯：湯梓紅