隨著我們進入由物聯網 (IoT)、大數據和人工智能 (AI) 驅動的新計算時代，對更節能芯片的需求不斷增長。在這種情況下，我們通常會想到摩爾定律和減小晶體管的尺寸。

然而，功率半導體的進步不受節點尺寸縮小的影響。MOSFET 和 IGBT 等硅功率開關設計用于處理 12V 至 +3.3kV 的電壓和數百安培的電流。通過這些開關的功率很大！但它們的能力是有限的，這推動了碳化硅 (SiC) 等具有卓越性能的新材料的開發。

碳化硅是一種化合物半導體材料，它結合了硅和碳，創造了硅的超級英雄表親。要讓電子開始在材料內自由移動，需要多出三倍的能量。這種更寬的帶隙使材料具有有趣的特性，例如更快的開關和更高的功率密度。我將重點介紹 SiC 器件可以帶來顯著優勢的兩個用例。

汽車中的碳化硅

第一個例子是汽車。據研究公司 Yole Developpement 稱，道路上有超過 10 億輛汽車。截至 2017 年，190 萬輛汽車或約 0.2% 是電動汽車。預計到 2040 年，這一比例將增長到 50%，因此提高能效的影響可能相當大。

電動汽車通常具有為車輪提供動力的主電機。部署了六個功率晶體管和二極管來轉動電機。每個晶體管都需要能夠阻止 700V 和開關幾百安培。大多數電源開關使用脈寬調制 (PWM) 技術，這意味著它們每秒打開和關閉數千次。當晶體管打開和關閉時，狀態之間存在轉換延遲（圖 1）。就像轉動水龍頭一樣，完全打開和關閉閥門需要時間，在此期間，可能會浪費一些水。在晶體管中也會發生同樣的情況。在電源應用中，一個關鍵目標是盡快切換設備，以最大限度地減少浪費的電源并實現更高的效率。

圖 1

圖 2

SiC太陽能中的碳化硅

SiC 的另一個應用是太陽能逆變器，其尺寸僅為基于 IGBT 的解決方案的一半。SiC 更快的開關速度意味著制造商可以減小系統中無源元件的尺寸。大電容器和變壓器可以用較小的替代品代替。散熱器尺寸可以減小。隨著系統效率的提高，能量捕獲最大化。

使能碳化硅

雖然 SiC 器件具有令人興奮的潛力，但也存在制造問題。一個主要的挑戰是基板缺陷。基面位錯和螺旋位錯會產生“致命缺陷”，碳化硅器件必須減少這些缺陷才能實現商業成功所需的高良率。應用材料公司正在與包括 SiC 晶圓制造商和 IDM 在內的生態系統參與者合作，專門解決可制造性問題。我們將在以后的博客中討論這些發展。

許多行業預測者認為，碳化硅最終將在更高電壓和功率的應用中取代硅。隨著該行業采用 SiC，它可以應對更大的功率和效率挑戰，并且與所有超級英雄一樣，有助于讓世界變得更美好。

審核編輯：湯梓紅