碳化硅 (SiC) 用于各種應(yīng)用已有 100 多年的歷史,為什么SiC 突然流行起來

碳化硅 (SiC) 用于各種應(yīng)用已有 100 多年的歷史。然而，如今半導(dǎo)體材料比以往任何時(shí)候都更受歡迎，這在很大程度上是由于其在工業(yè)應(yīng)用中的使用。

在本文中，我們將探討為什么 SiC 突然流行起來，是什么讓它成為工業(yè)應(yīng)用的好材料，以及推動(dòng)其采用率增長的一些應(yīng)用。

碳化硅：概述

雖然 SiC 在電子應(yīng)用中的使用可以追溯到 1900 年代初期，但直到 1990 年代它才真正開始作為半導(dǎo)體材料使用。正是在這一點(diǎn)上，它首先被用于肖特基二極管、FET 和 MOSFET。雖然 SiC 具有使其特別擅長處理高頻、高功率和高溫負(fù)載的特性，但它的采用速度很慢，這主要是因?yàn)樯a(chǎn)中的問題。

在自然界中，SiC 是一種極為稀有的物質(zhì)，主要存在于隕石殘骸中。雖然它可以合成創(chuàng)建，但早期這樣做的努力產(chǎn)生了不一致的結(jié)果。邊緣位錯(cuò)、三角缺陷和其他問題減緩了 SiC 作為半導(dǎo)體的商業(yè)化，盡管它有許多潛在的應(yīng)用，但它的使用仍然相對較少。

但是，是什么讓 SiC 成為如此有效的半導(dǎo)體呢?作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，它具有比其他半導(dǎo)體材料(如傳統(tǒng)硅)更寬的能量差，這賦予了它更高的熱性能和電子性能。這使得該材料成為高功率、高溫和高頻應(yīng)用中的明星材料。事實(shí)上，與硅半導(dǎo)體相比，SiC 的介電擊穿強(qiáng)度高 10 倍，能帶隙高 3 倍，熱導(dǎo)率高 3 倍。

這些性能優(yōu)勢可提高整體系統(tǒng)效率，增加功率密度并降低系統(tǒng)損耗。

雖然 SiC 作為半導(dǎo)體材料的實(shí)力已為人所知多年，但如前所述，生產(chǎn)問題導(dǎo)致采用速度緩慢。然而，如今，Wolfspeed、Infineon、onsemi 等制造商已經(jīng)改進(jìn)了制造工藝，因此早先對 SiC 質(zhì)量的擔(dān)憂在很大程度上已成為過去。因此，它的使用正在快速增長。

SIC 采用的完美風(fēng)暴

現(xiàn)在，具有碳化硅專業(yè)知識的半導(dǎo)體制造商發(fā)現(xiàn)自己處于一個(gè)誘人的位置。制造工藝有了顯著改進(jìn)，提高了合成 SiC 的產(chǎn)量和可靠性。與此同時(shí)，對性能有要求的應(yīng)用(如 SiC)正在迅速增加。結(jié)果是基于 SiC 的設(shè)備以令人難以置信的速度越來越受歡迎的市場。

讓我們探討一下 SiC 正在站穩(wěn)腳跟的一些行業(yè)。

電動(dòng)車使用

SiC 半導(dǎo)體最大的增長市場之一是電動(dòng)汽車 (EV) 和 EV 充電系統(tǒng)。在車輛方面，SiC 是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絕佳選擇——不僅在我們道路上的電動(dòng)汽車中，而且在電動(dòng)火車中也是如此。

SiC 的性能和可靠性使其成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的絕佳選擇，并且由于其高性能尺寸比以及基于 SiC 的系統(tǒng)通常需要使用較少的整體組件這一事實(shí)，使用 SiC 可以減小系統(tǒng)尺寸和減輕重量——EV 效率的關(guān)鍵考慮因素。

碳化硅也在電動(dòng)汽車電池充電系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用。電動(dòng)汽車采用的最大障礙之一是補(bǔ)充電池所需的時(shí)間，制造商正在尋找減少充電時(shí)間的方法——對于許多人來說，答案是碳化硅。通過在非車載充電解決方案中使用 SiC 功率元件，EV 充電站制造商可以利用 SiC 的快速開關(guān)速度和高功率傳輸能力來提供更好的充電性能。結(jié)果是充電時(shí)間快了 2 倍。

數(shù)據(jù)中心和不間斷電源

隨著越來越多的組織進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)中心在各種規(guī)模和垂直行業(yè)中的作用只會越來越大。這些數(shù)據(jù)中心充當(dāng)各種關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對于持續(xù)和成功的業(yè)務(wù)運(yùn)營至關(guān)重要——但這是有代價(jià)的。

事實(shí)上，國際能源署估計(jì)全球 1% 的電力被數(shù)據(jù)中心消耗——這還不包括用于加密貨幣挖掘的能源。這種能源消耗的最大驅(qū)動(dòng)因素之一是用于保持這些數(shù)據(jù)中心涼爽的電力，空調(diào)和風(fēng)扇系統(tǒng)需要一年 365 天，每天 24 小時(shí)運(yùn)行。

但是想象一下，如果有一種材料具有更高的熱效率——能夠在不犧牲性能的情況下運(yùn)行得更涼爽。這種材料就是碳化硅。據(jù) Wolfspeed 稱，使用其 SiC 產(chǎn)品的電源具有熱性能改進(jìn)，可節(jié)省多達(dá) 40% 的冷卻能源成本。此外，隨著功率密度的提高，使用 SiC 組件的數(shù)據(jù)中心可以在更小的空間內(nèi)容納更多設(shè)備。

這些數(shù)據(jù)中心的另一個(gè)組成部分是不間斷電源 (UPS)，它有助于確保系統(tǒng)即使在停電時(shí)也能保持正常運(yùn)行。SiC 因其可靠性、效率以及以低損耗提供清潔電力的能力而在 UPS 設(shè)計(jì)中占有一席之地。當(dāng) UPS 獲取直流電并將其轉(zhuǎn)換為交流電時(shí)，會出現(xiàn)損耗——縮短 UPS 提供備用電源的時(shí)間的損耗。SiC 有助于減少這些損耗，增加 UPS 容量。憑借更高的功率密度，UPS 系統(tǒng)還可以在不擴(kuò)大占地面積的情況下提供更高的性能——這是考慮空間限制時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

SIC 的今天和明天

隨著消費(fèi)者和市政層面對電動(dòng)汽車的需求不斷增長，以及對數(shù)據(jù)中心支持物聯(lián)網(wǎng)、軟件和其他數(shù)據(jù)密集型操作生成的大量數(shù)據(jù)的需求不斷增加，SiC 無疑是一種半導(dǎo)體未來。

隨著越來越多的制造商擴(kuò)展其 SiC 產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)并降低成本。隨著應(yīng)用的增長，碳化硅在未來幾年仍將是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。