随着(zhe)物联网(IoT)、大(da)数(shu)据(ju)和人工智(zhi)能(neng)(AI)驱动(dong)的全新(xin)计(ji)算时(shi)代到(dao)来(lai)，对节能芯片(pian)的(de)需求正(zheng)在稳(wen)步增长(zhang)。在(zai)这(zhe)种(zhong)情况下，我(wo)们通常考虑摩(mo)尔定律(lv)，缩小晶体(ti)管(guan)的(de)尺寸。

然而，功率半导体的进步(bu)并不(bu)取决(jue)于晶体管尺(chi)寸的(de)减少(shao)。硅(gui)电源开(kai)关，如MOSFET(金属(shu)-氧化物半(ban)导(dao)体(ti)场效应(ying)晶体(ti)管)和IGBT(绝(jue)缘(yuan)栅(zha)双极(ji)型(xing)晶体管(guan))，被用(yong)来(lai)处理(li)12V到(dao)+3.3kV的电压(ya)和(he)数(shu)百安培的(de)电流。这些开关要消耗很(hen)多能(neng)量！但它(ta)们的(de)能力有限，这(zhe)推(tui)动了(le)碳(tan)化(hua)硅(SiC)等新材(cai)料的发展，这些(xie)新(xin)材料有(you)望(wang)提(ti)供优异的(de)性能(neng)。

碳(tan)化硅是一种复合半导体(ti)材(cai)料(liao)，它(ta)将(jiang)硅和碳结合在一(yi)起，创(chuang)造(zao)出(chu)了(le)硅的(de)超级表(biao)亲(qin)。与(yu)硅相比，碳化(hua)硅(gui)需要(yao)三(san)倍(bei)以(yi)上的(de)能量才能使电(dian)子(zi)开(kai)始自由移(yi)动(dong)。这(zhe)种(zhong)更(geng)宽的禁带(dai)宽(kuan)度(du)给了(le)材(cai)料有(you)趣(qu)的特性(xing)，如更快的(de)开关和(he)更高(gao)的功率(lv)密(mi)度(du)。下面(mian)将重(zhong)点介绍(shao)两个(ge)用例(li)，从中(zhong)看出(chu)SiC设备可(ke)以带来的(de)显(xian)著(zhu)好(hao)处(chu)。

SiC用(yong)于(yu)汽(qi)车

研(yan)究(jiu)公司(si)Yole development的(de)数据显(xian)示(shi)，世(shi)界上(shang)有(you)超过(guo)10亿(yi)辆(liang)汽车。截至2017年，190万(wan)辆汽(qi)车(che)(约(yue)0.2%)是电(dian)动汽车(che)。到2040年(nian)，这(zhe)一比例(li)预计(ji)将(jiang)增长(zhang)到(dao)50%，因(yin)此，提高(gao)电(dian)力效率至关重(zhong)要。

电(dian)动汽车通(tong)常有(you)一个主(zhu)发(fa)动(dong)机(ji)来驱(qu)动(dong)车轮，六(liu)个(ge)功(gong)率(lv)晶(jing)体(ti)管(guan)和二(er)极(ji)管被用(yong)来(lai)驱(qu)动(dong)马达(da)。每(mei)个(ge)晶(jing)体(ti)管需(xu)要(yao)能(neng)够(gou)阻(zu)挡(dang)700V和转(zhuan)换(huan)几(ji)百(bai)安(an)培(pei)。大(da)多数(shu)电(dian)源(yuan)开(kai)关(guan)使(shi)用(yong)脉冲宽度(du)调制(zhi)(PWM)技术(shu)，这(zhe)意(yi)味着(zhe)他(ta)们(men)每秒打(da)开/关闭(bi)成千(qian)上(shang)万次(ci)。当(dang)晶(jing)体管(guan)打(da)开(kai)/关闭时(shi)，状(zhuang)态(tai)之间(jian)有一(yi)个过(guo)渡延迟(Figure 1)。就像(xiang)打(da)开/关闭(bi)水(shui)龙头，彻底(di)打开(kai)/关闭(bi)阀门需(xu)要(yao)一定(ding)时(shi)间,在这(zhe)段(duan)时(shi)间内(nei)，一些(xie)水(shui)可(ke)能(neng)会(hui)被(bei)浪(lang)费。同(tong)样(yang)的(de)道(dao)理(li)也(ye)适(shi)用(yong)于晶体管(guan)，在电力(li)应用(yong)中，一个重(zhong)要(yao)的目(mu)标是尽量(liang)提高开关(guan)速(su)度(du)，以减少开(kai)关损耗(hao)，实现更(geng)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)。

更(geng)好的(de)开关性(xing)能、低(di)导(dao)通(tong)电阻(zu)和高击(ji)穿(chuan)电(dian)压使(shi)SiC器件(jian)成(cheng)为传(chuan)统(tong)硅功(gong)率(lv)器件(MOSFET)、DC-DC转换器(qi)、不(bu)间断电(dian)源(yuan)系统和电机应(ying)用(yong)的理(li)想替代品(Figure 2)。

使(shi)用(yong)SiC MOSFET可(ke)以用更少的功率(lv)驱动电(dian)动(dong)汽(qi)车(che)的(de)马(ma)达，最终(zhong)提(ti)高(gao)电(dian)动汽车的行(xing)驶里(li)程。因(yin)为(wei)更高(gao)的(de)开(kai)关(guan)频(pin)率(lv)带(dai)来更(geng)高(gao)的功率密(mi)度和更(geng)小(xiao)更(geng)轻的电(dian)机，热量(liang)浪费(fei)的(de)减(jian)少又允(yun)许(xu)电动汽车(che)使用更小(xiao)更(geng)轻的(de)散(san)热器(qi)，进一(yi)步优化(hua)汽(qi)车重量(liang)和行(xing)驶(shi)里程。

SiC用于太阳(yang)能(neng)

SiC的另(ling)一(yi)个(ge)应(ying)用是太阳(yang)能(neng)逆变(bian)器(qi)，它(ta)的尺(chi)寸(cun)只有(you)基于(yu)IGBT解(jie)决方案(an)的(de)一半(ban)。SiC更快的(de)开(kai)关(guan)速度(du)意(yi)味(wei)着(zhe)制造(zao)商(shang)可(ke)以(yi)减(jian)少系统中(zhong)无(wu)源元件(jian)的(de)尺寸(cun)。大(da)型电容器(qi)和(he)变(bian)压(ya)器可(ke)以用更(geng)小的替代(dai)品(pin)来(lai)代替(ti)，同(tong)时还可(ke)以(yi)减小散(san)热器(qi)的尺(chi)寸。随着系统(tong)效率(lv)的(de)提(ti)高(gao)，能(neng)量捕(bu)获(huo)实现最大化。

使(shi)用(yong)SiC

尽(jin)管(guan)SiC设备(bei)有(you)令人兴奋的(de)巨(ju)大潜(qian)力，但目前(qian)仍(reng)存在(zai)制(zhi)造(zao)问题(ti)。一(yi)个主要的问(wen)题(ti)是衬(chen)底(di)缺陷，为了(le)获(huo)得商(shang)业成功(gong)所(suo)需(xu)的(de)高(gao)产(chan)量(liang)，SiC设(she)备必(bi)须(xu)减少(shao)这(zhe)些(xie)缺(que)陷(xian)。应(ying)用(yong)材料(liao)公司正(zheng)在(zai)与生态系(xi)统的参与(yu)者，包括(kuo)SiC晶圆(yuan)制(zhi)造(zao)商(shang)和(he)IDM(集(ji)成器件制(zhi)造(zao)商(shang))公(gong)司(si)合(he)作(zuo)，专(zhuan)门(men)解决可制造性(xing)问题。我们(men)后(hou)续再(zai)讨论这(zhe)方(fang)面的发(fa)展。

许(xu)多行业(ye)预(yu)测(ce)人士(shi)认(ren)为，SiC最(zui)终将在更(geng)高电压和(he)高(gao)功耗(hao)的(de)应(ying)用(yong)领域取(qu)代硅。正如(ru)所(suo)有(you)的(de)超级(ji)英(ying)雄(xiong)一样(yang)，当(dang)行业接(jie)受(shou)SiC时(shi)，它(ta)将(jiang)能(neng)应对(dui)更大的(de)功耗和效率挑战，从而使(shi)世界变得更(geng)加(jia)美好。