碳化硅的超強性能

隨著我們步入由物聯(lián)網、大數據和人工智能驅動的新計算時代，市場對能源效率更高的芯片的需求正在增長。在這種背景下，我們通常會想到摩爾定律以及減少晶體管大小。

然而，電力半導體的進步并不完全取決于節(jié)點尺寸的減小。硅電力開關，如MOSFETs和IGBTs，被設計用來處理12V到+3.3kV的電壓和數百安培的電流。這些開關管理著大量的電力！然而，他們的能力有限，這正推動著新材料如碳化硅（SiC）的開發(fā)。在這種材料中，電子開始自由運動需要的能量是普通硅的三倍。這種更寬的帶隙賦予了材料一些有趣的特性，如更快的開關速度和更高的功率密度。讓我們來看一下兩個SiC設備可以帶來顯著好處的應用案例。

SiC在汽車業(yè)的應用

據Yole Developpement研究公司，目前全球已有超過10億輛汽車。到2017年為止，190萬輛汽車歸屬于電動車，即總體的0.2%。預計到2040年，這個比例將增長到50%，因此提高電力效率的影響將相當重大。

電動汽車通常有一個主馬達驅動車輪。六個電力晶體管和二極管被用于驅動電機。每個晶體管需能封鎖700V并切換幾百安培的電流。大多數電力開關采用脈寬調制（PWM）技術，這意味著它們每秒被開啟和關閉數千次。當一個晶體管在開啟和關閉時，狀態(tài)之間會有一個過渡延遲。在電力應用中，關鍵目標是盡可能快地切換設備以最小化浪費的電力并實現更高的效率。

優(yōu)化的開關性能、低離子阻抗和高擊穿電壓使SiC設備成為傳統(tǒng)硅電力MOSFET、DC-DC轉換器、不間斷電源和電機應用的理想替代品。

概括來說，SiC MOSFETs 可以幫助提高電動汽車的行駛范圍。它們可以用更少的電力驅動電動車的電機。更高的切換頻率導致了更高的功率密度和更小、更輕的馬達。減少浪費的熱量可以使用更小和更輕的散熱器，進一步優(yōu)化車重和續(xù)航里程。

SiC在太陽能應用

另一個SiC的應用是太陽能逆變器，其尺寸可能只有基于IGBT解決方案的一半。SiC更快的切換速度意味著制造商可以減少系統(tǒng)中的無源元件的尺寸。大型電容器和變壓器可以被較小的替代品取代。散熱片的尺寸可以減小。隨著系統(tǒng)效率的提高，能量的捕獲也會最大化。

SiC目前的缺陷

雖然SiC設備具有令人興奮的潛力，但也存在制造問題。主要的挑戰(zhàn)是基板缺陷。基面位錯和螺型位錯可能會產生“致命缺陷”，需要減少這類缺陷，以便SiC設備達到商業(yè)成功所需的高產量。應用材料公司正在與包括SiC晶圓制造商和IDM在內的生態(tài)系統(tǒng)參與者合作，專門解決SiC的制造問題。

許多行業(yè)預測人士認為，SiC最終將在更高的電壓和電力應用中取代硅。隨著整個行業(yè)對SiC的接受，我們可以應對更大的電力和效率挑戰(zhàn)，幫助使世界變得更好。