碳化硅的超强性能

随着我们步入由物联网、大数据和人工智能驱动的新计算时代，市场对能源效率更高的芯片的需求正在增长。在这种背景下，我们通常会想到摩尔定律以及减少晶体管大小。
 

 

然而，电力半导体的进步并不完全取决于节点尺寸的减小。硅电力开关，如MOSFETs和IGBTs，被设计用来处理12V到+3.3kV的电压和数百安培的电流。这些开关管理着大量的电力！然而，他们的能力有限，这正推动着新材料如碳化硅（SiC）的开发。在这种材料中，电子开始自由运动需要的能量是普通硅的三倍。这种更宽的带隙赋予了材料一些有趣的特性，如更快的开关速度和更高的功率密度。让我们来看一下两个SiC设备可以带来显著好处的应用案例。

 

SiC在汽车业的应用

 

据Yole Developpement研究公司，目前全球已有超过10亿辆汽车。到2017年为止，190万辆汽车归属于电动车，即总体的0.2%。预计到2040年，这个比例将增长到50%，因此提高电力效率的影响将相当重大。

 

电动汽车通常有一个主马达驱动车轮。六个电力晶体管和二极管被用于驱动电机。每个晶体管需能封锁700V并切换几百安培的电流。大多数电力开关采用脉宽调制（PWM）技术，这意味着它们每秒被开启和关闭数千次。当一个晶体管在开启和关闭时，状态之间会有一个过渡延迟。在电力应用中，关键目标是尽可能快地切换设备以最小化浪费的电力并实现更高的效率。

 

优化的开关性能、低离子阻抗和高击穿电压使SiC设备成为传统硅电力MOSFET、DC-DC转换器、不间断电源和电机应用的理想替代品。

 

概括来说，SiC MOSFETs 可以帮助提高电动汽车的行驶范围。它们可以用更少的电力驱动电动车的电机。更高的切换频率导致了更高的功率密度和更小、更轻的马达。减少浪费的热量可以使用更小和更轻的散热器，进一步优化车重和续航里程。

 

SiC在太阳能应用

 

另一个SiC的应用是太阳能逆变器，其尺寸可能只有基于IGBT解决方案的一半。SiC更快的切换速度意味着制造商可以减少系统中的无源元件的尺寸。大型电容器和变压器可以被较小的替代品取代。散热片的尺寸可以减小。随着系统效率的提高，能量的捕获也会最大化。

 

SiC目前的缺陷

 

虽然SiC设备具有令人兴奋的潜力，但也存在制造问题。主要的挑战是基板缺陷。基面位错和螺型位错可能会产生“致命缺陷”，需要减少这类缺陷，以便SiC设备达到商业成功所需的高产量。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SiC的制造问题。

 

许多行业预测人士认为，SiC最终将在更高的电压和电力应用中取代硅。随着整个行业对SiC的接受，我们可以应对更大的电力和效率挑战，帮助使世界变得更好。