碳化硅 (SiC) 用于各种应用已有 100 多年的历史,为什么SiC 突然流行起来

碳化硅 (SiC) 用于各种应用已有 100 多年的历史。然而，如今半导体材料比以往任何时候都更受欢迎，这在很大程度上是由于其在工业应用中的使用。

在本文中，我们将探讨为什么 SiC 突然流行起来，是什么让它成为工业应用的好材料，以及推动其采用率增长的一些应用。

碳化硅：概述

虽然 SiC 在电子应用中的使用可以追溯到 1900 年代初期，但直到 1990 年代它才真正开始作为半导体材料使用。正是在这一点上，它首先被用于肖特基二极管、FET 和 MOSFET。虽然 SiC 具有使其特别擅长处理高频、高功率和高温负载的特性，但它的采用速度很慢，这主要是因为生产中的问题。

在自然界中，SiC 是一种极为稀有的物质，主要存在于陨石残骸中。虽然它可以合成创建，但早期这样做的努力产生了不一致的结果。边缘位错、三角缺陷和其他问题减缓了 SiC 作为半导体的商业化，尽管它有许多潜在的应用，但它的使用仍然相对较少。

但是，是什么让 SiC 成为如此有效的半导体呢?作为一种宽带隙半导体材料，它具有比其他半导体材料(如传统硅)更宽的能量差，这赋予了它更高的热性能和电子性能。这使得该材料成为高功率、高温和高频应用中的明星材料。事实上，与硅半导体相比，SiC 的介电击穿强度高 10 倍，能带隙高 3 倍，热导率高 3 倍。

这些性能优势可提高整体系统效率，增加功率密度并降低系统损耗。

虽然 SiC 作为半导体材料的实力已为人所知多年，但如前所述，生产问题导致采用速度缓慢。然而，如今，Wolfspeed、Infineon、onsemi 等制造商已经改进了制造工艺，因此早先对 SiC 质量的担忧在很大程度上已成为过去。因此，它的使用正在快速增长。

SIC 采用的完美风暴

现在，具有碳化硅专业知识的半导体制造商发现自己处于一个诱人的位置。制造工艺有了显着改进，提高了合成 SiC 的产量和可靠性。与此同时，对性能有要求的应用(如 SiC)正在迅速增加。结果是基于 SiC 的设备以令人难以置信的速度越来越受欢迎的市场。

让我们探讨一下 SiC 正在站稳脚跟的一些行业。

电动车使用

SiC 半导体最大的增长市场之一是电动汽车 (EV) 和 EV 充电系统。在车辆方面，SiC 是电机驱动的绝佳选择——不仅在我们道路上的电动汽车中，而且在电动火车中也是如此。

SiC 的性能和可靠性使其成为电机驱动电源系统的绝佳选择，并且由于其高性能尺寸比以及基于 SiC 的系统通常需要使用较少的整体组件这一事实，使用 SiC 可以减小系统尺寸和减轻重量——EV 效率的关键考虑因素。

碳化硅也在电动汽车电池充电系统中得到越来越多的应用。电动汽车采用的最大障碍之一是补充电池所需的时间，制造商正在寻找减少充电时间的方法——对于许多人来说，答案是碳化硅。通过在非车载充电解决方案中使用 SiC 功率元件，EV 充电站制造商可以利用 SiC 的快速开关速度和高功率传输能力来提供更好的充电性能。结果是充电时间快了 2 倍。

数据中心和不间断电源

随着越来越多的组织进行数字化转型，数据中心在各种规模和垂直行业中的作用只会越来越大。这些数据中心充当各种关键任务数据的中枢神经系统，对于持续和成功的业务运营至关重要——但这是有代价的。

事实上，国际能源署估计全球 1% 的电力被数据中心消耗——这还不包括用于加密货币挖掘的能源。这种能源消耗的最大驱动因素之一是用于保持这些数据中心凉爽的电力，空调和风扇系统需要一年 365 天，每天 24 小时运行。

但是想象一下，如果有一种材料具有更高的热效率——能够在不牺牲性能的情况下运行得更凉爽。这种材料就是碳化硅。据 Wolfspeed 称，使用其 SiC 产品的电源具有热性能改进，可节省多达 40% 的冷却能源成本。此外，随着功率密度的提高，使用 SiC 组件的数据中心可以在更小的空间内容纳更多设备。

这些数据中心的另一个组成部分是不间断电源 (UPS)，它有助于确保系统即使在停电时也能保持正常运行。SiC 因其可靠性、效率以及以低损耗提供清洁电力的能力而在 UPS 设计中占有一席之地。当 UPS 获取直流电并将其转换为交流电时，会出现损耗——缩短 UPS 提供备用电源的时间的损耗。SiC 有助于减少这些损耗，增加 UPS 容量。凭借更高的功率密度，UPS 系统还可以在不扩大占地面积的情况下提供更高的性能——这是考虑空间限制时的一个关键因素。

SIC 的今天和明天

随着消费者和市政层面对电动汽车的需求不断增长，以及对数据中心支持物联网、软件和其他数据密集型操作生成的大量数据的需求不断增加，SiC 无疑是一种半导体未来。

随着越来越多的制造商扩展其 SiC 产品，生产工艺不断改进并降低成本。随着应用的增长，碳化硅在未来几年仍将是半导体设计的关键部分。