碳化硅——硅的超级英雄

随着我们进入由物联网 (IoT)、大数据和人工智能 (AI) 驱动的新计算时代，对更节能芯片的需求不断增长。在这种情况下，我们通常会想到摩尔定律和减小晶体管的尺寸。

然而，功率半导体的进步不受节点尺寸缩小的影响。MOSFET 和 IGBT 等硅功率开关设计用于处理 12V 至 +3.3kV 的电压和数百安培的电流。通过这些开关的功率很大！但它们的能力是有限的，这推动了碳化硅 (SiC) 等具有卓越性能的新材料的开发。

碳化硅是一种化合物半导体材料，它结合了硅和碳，创造了硅的超级英雄表亲。要让电子开始在材料内自由移动，需要多出三倍的能量。这种更宽的带隙使材料具有有趣的特性，例如更快的开关和更高的功率密度。我将重点介绍 SiC 器件可以带来显着优势的两个用例。

汽车中的碳化硅

第一个例子是汽车。据研究公司 Yole Developpement 称，道路上有超过 10 亿辆汽车。截至 2017 年，190 万辆汽车或约 0.2% 是电动汽车。预计到 2040 年，这一比例将增长到 50%，因此提高能效的影响可能相当大。

电动汽车通常具有为车轮提供动力的主电机。部署了六个功率晶体管和二极管来转动电机。每个晶体管都需要能够阻止 700V 和开关几百安培。大多数电源开关使用脉宽调制 (PWM) 技术，这意味着它们每秒打开和关闭数千次。当晶体管打开和关闭时，状态之间存在转换延迟（图 1）。就像转动水龙头一样，完全打开和关闭阀门需要时间，在此期间，可能会浪费一些水。在晶体管中也会发生同样的情况。在电源应用中，一个关键目标是尽快切换设备，以最大限度地减少浪费的电源并实现更高的效率。

图 2

SiC太阳能中的碳化硅

SiC 的另一个应用是太阳能逆变器，其尺寸仅为基于 IGBT 的解决方案的一半。SiC 更快的开关速度意味着制造商可以减小系统中无源元件的尺寸。大电容器和变压器可以用较小的替代品代替。散热器尺寸可以减小。随着系统效率的提高，能量捕获最大化。

使能碳化硅

虽然 SiC 器件具有令人兴奋的潜力，但也存在制造问题。一个主要的挑战是基板缺陷。基面位错和螺旋位错会产生“致命缺陷”，碳化硅器件必须减少这些缺陷才能实现商业成功所需的高良率。应用材料公司正在与包括 SiC 晶圆制造商和 IDM 在内的生态系统参与者合作，专门解决可制造性问题。我们将在以后的博客中讨论这些发展。

许多行业预测者认为，碳化硅最终将在更高电压和功率的应用中取代硅。随着该行业采用 SiC，它可以应对更大的功率和效率挑战，并且与所有超级英雄一样，有助于让世界变得更美好。

审核编辑：符乾江