碳化硅在电子产品中的应用（2）

WBG在高功率高温电子中的应用

功率电子是基础产业;所有电力设备都将使用某种形式的电源管理器件。因此，功率器件的进步也推动了大量应用的进展。这就是为何看到使用WBG材料的功率电子是很常见并令人欣喜的事。WBG最初被用于发光二极管（LED），然后扩展到射频器件与SAW滤波器，首次亮相于功率电子领域是1992年首个400V SiC肖特基二极管的问世。自那时起，WGB功率电子产品组合已不断扩充，包括1200V SiC肖特基二极管以及整流器，JFET，MOSFET，BJT和可控硅，参与的制造商也众多，包括Cree公司和意法半导体等。

作为行业领导者，Cree进入WBG已经有段历史，其产品组合包括MOSFET，肖特基二极管和整流器，LED灯等。 2011年，Cree公司推出了SiC MOSFET Z-FET™线，它具备目前业界最高的效率，同时也提升了电源开关应用的可靠性。意法半导体STPSC家族目前已经包括600V，650V，1200V的SiC二极管。 STPSC6H12是一款高性能1200V SiC肖特基整流器，专用于光电逆变器。由于其在任何温度下高频工作时开关损耗低以及超快的开关速度，可以将变频器良率增加多达2％。相比于双极二极管，SiC二极管的损耗可以降低70％。

碳化硅（SiC）是目前最成熟的WBG材料，市场已经出现大量的SiC功率器件，这些产品也来自于众多厂家，包括Cree，GeneSiC，英飞凌，松下，罗姆，意法半导体，Semelab/ TT电子和美国中央半导体。对于功率器件，SiC相对于硅的优势包括更高的效率，更低的损耗，更高的开关频率，可以去掉一些无源元件以保持紧凑的设计，以及更高的击穿电压（几十千伏）。SiC在功率电子设计中可实现更快的运行速度，以及尺寸更小的磁性元件。

这些特性使得SiC适用于高功率（>1200V，>100千瓦），耐高温（200° - 400°C）的应用，同时也适用于要求较松的使用。可再生能源发电（太阳能逆变器和风力涡轮机），地热能（潜孔钻），汽车（混动汽车/电动汽车），交通（飞机，船舶和铁路牵引），军用系统，太空计划，工业电机驱动，不间断电源，和离线电源中的功率因数校正（PFC）升压级，这些应用均适合使用SiC功率器件。

作为一种新兴技术，SiC比硅的生产成本更高，导致GaN的低成本优势显现，基于GaN的功率器件现在刚刚进入市场。这些器件表现为在一个SiC或者硅衬底上连接GaN，否则同时使用GaN衬底代价将非常高昂。尽管降低了成本，以及保持了SiC一样超出于硅的性能优势，但与基板的不匹配降低了GaN的高理论热传导率，实际值也略低于硅。GaN-on-Si类WBG的优势包括：高电压操作，高开关频率和出色的可靠性 特别是预期最早在2015年GaN-on-Si的价格将与硅相同，这样基于GaN的功率器件将对亚900 V应用有很大的吸引力。随着成本下降，GaN功率器件也将出现在下一代消费电子产品中，因为这些产品对尺寸大小、效率以及价格非常敏感。

SiC功率半导体2013年的销售额为大约2亿美元，但预计在未来数年将飞速增长，一些预测估计，到2022年销售额将接近18亿美元。尽管GaN功率器件刚刚进入市场，但同期（2022年）销售额预计将超过10亿美元。虽然预期SiC和GaN功率器件将获得指数级增长，考虑到2020年全球功率半导体市场的价值估计约为650亿美元（IHS / IMS研究），很显然未来几年硅的市场价值仍将持续。在低功低压市场中尤其如此，而这里主要采用窄带隙材料。低功低压市场的新材料开发仍处于起步阶段。例如，石墨烯、零带隙材料，由于其独特的性能，已经带来了诸多惊喜。石墨烯具有可调整的带隙，优异的导电性，耐久性，重量轻，直到最近的2004年才分离出来。有趣的是，在低压（〜10 -6托）加热SiC到高温（> 1100℃）时，SiC就转换成石墨烯。