碳化硅 (SiC)的历史与应用

碳化硅（SiC），通常被称为金刚砂，是唯一由硅和碳构成的合成物。虽然在自然界中以碳硅石矿物的形式存在，但其出现相对罕见。然而，自从1893年以来，粉状碳化硅就已大规模生产，用作研磨剂。碳化硅在研磨领域有着超过一百年的历史，主要用于磨轮和多种其他研磨应用。

借助现代技术，人们已成功开发出高品质的工业级陶瓷材料，这些陶瓷表现出卓越的机械性能，包括：

 

- 高硬度

- 高强度

- 低密度

- 高弹性模量

- 高抗热震性

- 出色的化学稳定性

- 高导热性

- 低热膨胀系数

 

这些高强度和耐用性的陶瓷广泛应用于各种领域，如汽车制动系统、离合器以及用于防弹背心的陶瓷板。此外，碳化硅还在高温和（或）高压环境下的半导体电子设备中发挥作用，如火焰点火器、电阻加热元件以及恶劣环境下的电子元器件。

 

碳化硅在汽车应用中的应用

 

碳化硅在汽车领域的主要应用之一是制造高性能的“陶瓷”制动盘。这些制动盘采用碳纤维增强碳化硅（C/SiC），其中硅与复合材料中的石墨结合。这种技术应用于一些高性能轿车、超级跑车以及其他顶级汽车型号。

 

另一个汽车应用是将碳化硅用作油品添加剂。在这种情况下，SiC可以减少摩擦、散热以及谐波。

 

碳化硅的早期应用

 

**LED**

 

电致发光现象最早是在1907年首次通过使用碳化硅发光二极管（LED）实现的。很快，商用SiC基LED就开始生产。到了20世纪70年代，前苏联生产出了黄色的SiC LED，而在20世纪80年代，蓝色LED开始在全球范围内广泛应用。随后，氮化镓（GaN）LED问世，其发光亮度比SiC LED高出数十倍甚至数百倍，因此SiC LED的生产几乎停止。然而，SiC仍然作为GaN设备的基底广泛使用，同时还用作高功率LED的散热器。

 

**避雷器**

 

SiC具有高电阻，在达到阈值电压（VT）之前，电阻较大。一项最早应用SiC的电气应用是分布式电源系统中的避雷器（见图1）。

 

图1：SiC 避雷器应用

SiC避雷器的工作原理是在高压电线和地之间连接SiC芯块柱。当电源线受到雷击时，线路电压上升并超过SiC避雷器的阈值电压（VT），将雷击电流导向地，而不是电力线，从而避免了潜在的危害。然而，这些SiC避雷器在电力线正常工作电压下会导通，因此必须与火花隙串联。当雷击使电源线导线电压升高时，火花隙会离子化并导通，将SiC避雷器有效地连接在电力线和地之间。然而，后来发现避雷器中使用的火花隙并不总是可靠。由于材料失效、灰尘或盐侵等原因，可能出现火花隙在需要时无法触发电弧，或者电弧在闪电结束后无法迅速熄灭的情况。因此，具有无火花隙设计的SiC避雷器大多被采用氧化锌芯块的无间隙变阻器所替代。

 

**SiC在电力电子中的应用**

 

使用SiC制造的半导体器件包括肖特基二极管（也称为肖特基势垒二极管或SBD）、J型场效应晶体管（JFET）以及用于高功率开关应用的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。SemiSouth Laboratories（已于2013年倒闭）在2008年推出了第一款商用的1200V JFET，而Cree则在2011年生产了第一款商用的1200V MOSFET。与此同时，一些公司还开始尝试将SiC肖特基二极管芯片应用于电力电子模块。实际上，SiC SBD已广泛用于IGBT电源模块和

 

功率因数校正（PFC）电路。

 

图2：SiC元件代表：肖特基二极管

**SiC的优势与挑战**

 

碳化硅基电力电子元件之所以备受关注，一个重要原因是在相同阻断电压条件下，其掺杂密度几乎比硅基设备高出百倍。这使得可以在低导通电阻下获得高阻断电压。低导通电阻对于高功率应用至关重要，因为它降低了发热，减少了系统的热负荷，提高了整体效率。

 

然而，生产SiC基电子元件本身也面临一些挑战，主要是消除缺陷。这些缺陷会导致以SiC晶体制成的器件的反向阻断性能较差。除了晶体质量问题，二氧化硅和SiC之间的界面问题也限制了SiC基功率MOSFET和绝缘栅双极型晶体的发展。幸运的是，通过使用渗氮工艺来降低这些界面问题引起的缺陷。

 

**碳化硅的磨片应用**

 

碳化硅仍然用作许多工业应用中的研磨剂。在电子行业中，它主要用作光导纤维两端在拼接之前的抛光膜。这些膜片能够提供光纤接头所需的高度光洁度，以确保其有效运行。

 

碳化硅的生产历史已有一百多年，但其在电力电子领域的广泛应用直到最近才得以实现。由于其独特的物理和电气特性，碳化硅在高压和高温应用中发挥着关键作用。

 

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