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

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)應用的好材料，以及推動其采用率增長的一些應用。

碳化硅：概述

雖然 SiC 在電子應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體材料使用。正是在這一點上，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、高功率和高溫負載的特性，但它的采用速度很慢，這主要是因為生產中的問題。

在自然界中，SiC 是一種極為稀有的物質，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生了不一致的結果。邊緣位錯、三角缺陷和其他問題減緩了 SiC 作為半導體的商業(yè)化，盡管它有許多潛在的應用，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體呢?作為一種寬帶隙半導體材料，它具有比其他半導體材料(如傳統硅)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、高溫和高頻應用中的明星材料。事實上，與硅半導體相比，SiC 的介電擊穿強度高 10 倍，能帶隙高 3 倍，熱導率高 3 倍。

這些性能優(yōu)勢可提高整體系統效率，增加功率密度并降低系統損耗。

雖然 SiC 作為半導體材料的實力已為人所知多年，但如前所述，生產問題導致采用速度緩慢。然而，如今，Wolfspeed、Infineon、onsemi 等制造商已經改進了制造工藝，因此早先對 SiC 質量的擔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 采用的完美風暴

現在，具有碳化硅專業(yè)知識的半導體制造商發(fā)現自己處于一個誘人的位置。制造工藝有了顯著改進，提高了合成 SiC 的產量和可靠性。與此同時，對性能有要求的應用(如 SiC)正在迅速增加。結果是基于 SiC 的設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)。

電動車使用

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

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

碳化硅也在電動汽車電池充電系統中得到越來越多的應用。電動汽車采用的最大障礙之一是補充電池所需的時間，制造商正在尋找減少充電時間的方法——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 的快速開關速度和高功率傳輸能力來提供更好的充電性能。結果是充電時間快了 2 倍。

數據中心和不間斷電源

隨著越來越多的組織進行數字化轉型，數據中心在各種規(guī)模和垂直行業(yè)中的作用只會越來越大。這些數據中心充當各種關鍵任務數據的中樞神經系統，對于持續(xù)和成功的業(yè)務運營至關重要——但這是有代價的。

事實上，國際能源署估計全球 1% 的電力被數據中心消耗——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動因素之一是用于保持這些數據中心涼爽的電力，空調和風扇系統需要一年 365 天，每天 24 小時運行。

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行得更涼爽。這種材料就是碳化硅。據 Wolfspeed 稱，使用其 SiC 產品的電源具有熱性能改進，可節(jié)省多達 40% 的冷卻能源成本。此外，隨著功率密度的提高，使用 SiC 組件的數據中心可以在更小的空間內容納更多設備。

這些數據中心的另一個組成部分是不間斷電源 (UPS)，它有助于確保系統即使在停電時也能保持正常運行。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 設計中占有一席之地。當 UPS 獲取直流電并將其轉換為交流電時，會出現損耗——縮短 UPS 提供備用電源的時間的損耗。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 系統還可以在不擴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的一個關鍵因素。

SIC 的今天和明天

隨著消費者和市政層面對電動汽車的需求不斷增長，以及對數據中心支持物聯網、軟件和其他數據密集型操作生成的大量數據的需求不斷增加，SiC 無疑是一種半導體未來。

隨著越來越多的制造商擴展其 SiC 產品，生產工藝不斷改進并降低成本。隨著應用的增長，碳化硅在未來幾年仍將是半導體設計的關鍵部分。