碳化硅——硅的超级英雄

随着我们进入一个由物联网(IoT)、大数据和人工智能(AI)驱动的新的计算时代,对更节能芯片的需求也在增长。在这种情况下,我们通常会考虑摩尔定律和减小晶体管的尺寸。

然而,功率半导体的进步并不取决于节点大小的减少。硅功率开关,如mosfet和igbt,被设计用于处理12V到+3.3kV电压和数百安培电流。这些开关有很多能量!但它们的性能有局限性,这推动了诸如碳化硅(SiC)等有望获得卓越性能的新材料的开发。

碳化硅是一种复合半导体材料,它结合了硅和碳,创造了硅的超级英雄表亲。需要三倍的能量才能让电子在材料中自由移动。这种更宽的带隙使材料具有更有趣的特性,如更快的开关和更高的功率密度。我将重点介绍SiC设备可以带来显著好处的两个用例。

碳化硅在汽车

第一个例子是汽车。根据研究公司Yole development的数据,全球有超过10亿辆汽车在路上行驶。截至2017年,190万辆汽车(约0.2%)是电动汽车。到2040年,这一比例预计将增长到50%,因此提高电力效率的影响可能是相当大的。

电动汽车通常有一个驱动轮子的主马达。部署6个功率晶体管和二极管来驱动电机。每个晶体管需要能够阻挡700V和开关几百安培。大多数电源开关使用脉宽调制(PWM)技术,这意味着它们每秒被打开和关闭数千次。当一个晶体管被打开和关闭时,在状态之间有一个过渡延迟(图1)。这就像打开水龙头需要时间来完全打开和关闭阀门,在这段时间,一些水可能会被浪费。同样的情况也发生在晶体管中。在电源应用中,一个关键目标是尽可能快地切换设备,以减少浪费的功率和实现更高的效率。

图1所示。功率损失发生在电压/电流重叠时,MOSFET开关(来源:英飞凌技术)

该组合开关性能较好,性能较低电阻和高击穿电压使SiC器件成为传统硅功率mosfet、DC-DC变换器、不间断电源系统和电机应用的理想替代品(图2)。

图2。SiC mosfet相对于igbt的性能优势。(来源:应用材料。188金宝搏备用网址)

最终,SiC mosfet可以帮助增加电动汽车的续航里程。它们可以用更少的功率驱动电动汽车的马达。更高的开关频率导致更高的功率密度和更小,更轻的电机。减少废热可以使用更小更轻的散热器,进一步优化重量和范围。

碳化硅在太阳能

SiC的另一个应用是太阳能逆变器,它的尺寸只有igbt解决方案的一半。SiC的更快的开关速度意味着制造商可以减少系统中无源元件的尺寸。大的电容器和变压器可以用小的替代品代替。散热器的尺寸可以减小。随着系统效率的提高,能量捕获是最大的。

使原文如此

虽然SiC器件有令人兴奋的潜力,但也存在制造问题。一个主要的挑战是衬底缺陷。基面位错和螺型位错可以产生“致命缺陷”,为了获得商业上的成功,SiC器件必须减少这些“致命缺陷”。188金宝搏备用网址Applied Materials正在与包括SiC晶圆制造商和idm在内的生态系统参与者合作,专门解决可制造性问题。我们将在未来的博客中讨论这些进展。

许多行业预测者认为,SiC最终将在更高的电压和功率应用中取代硅。随着碳化硅行业的普及,它可以迎接更大的动力和效率挑战,并像所有超级英雄一样,帮助世界变得更美好。

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