碳化硅——硅的超级英雄

随着物联网(IoT)、大数据和人工智能(AI)推动我们进入一个新的计算时代,对能效更高的芯片的需求正在增长。在这种情况下,我们通常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尺寸的减小。硅功率开关,如MOSFET和IGBT,设计用于处理12V至+3.3kV的电压和数百安培的电流。通过这些开关的功率很大!但它们的性能是有限的,这推动了诸如碳化硅(SiC)等具有优异性能的新材料的发展。

碳化硅是一种化合物半导体材料,它将硅和碳结合在一起,创造了硅的超级英雄表哥。要使一个电子开始在材料内自由运动,需要三倍以上的能量。这种更宽的带隙使材料具有有趣的特性,如更快的开关和更高的功率密度。我将重点介绍两个用例,其中SiC设备可以提供显著的好处。

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,目前有超过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主马达来驱动车轮。6个功率晶体管和二极管用于驱动电机。每个晶体管需要能够阻塞700V和开关几百安培。大多数电源开关使用脉宽调制(PWM)技术,这意味着它们每秒钟被打开和关闭数千次。当晶体管打开和关闭时,两种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,在此期间,一些水可能被浪费了。同样的情况也发生在晶体管内部。在电源应用中,一个关键目标是尽可能快地切换设备,以减少功耗浪费,实现更高的效率。

图1所示。当MOSFET开关的电压/电流重叠时,会发生功率损失(来源:英飞凌技术)

组合开关性能较好,低在…上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。他们可以用更少的功率驱动电动汽车的马达。开关频率越高,功率密度越高,电机越小、越轻。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。

太阳能电池中的碳化硅

碳化硅的另一个应用是太阳能逆变器,其尺寸仅为基于IGBT的解决方案的一半。碳化硅的更快开关速度意味着制造商可以减小系统中无源元件的尺寸。大型电容器和变压器可以用较小的替代品代替。散热器的尺寸可以减小。随着系统效率的提高,能量捕获得到最大化。

使原文如此

虽然碳化硅器件有令人兴奋的潜力,但也存在制造问题。一个主要的挑战是基板缺陷。基面位错和螺旋位错会产生“致命缺陷”,必须减少这些缺陷,才能使SiC器件获得商业成功所需的高产量。Applied Materials正与包括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发展。188金宝搏备用网址

许多行业预测人士认为,碳化硅最终将在更高的电压和功率应用中取代硅。随着工业界对碳化硅的接受,碳化硅可以承担更大的功率和效率挑战,并且像所有的超级英雄一样帮助世界变得更美好。

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