超越汽車，碳化硅革命及其對(duì)硅器件的影響

碳化硅設(shè)備遠(yuǎn)非新事物，因?yàn)榉勰┬问降暮铣砂姹疽言?1890 年代初批量生產(chǎn)，并且該材料在 20 世紀(jì)初的第一臺(tái)收音機(jī)中找到了家。第一個(gè) LED 還使用了 SiC 晶體，該晶體在陰極發(fā)出黃光。然而，直到現(xiàn)在，這種材料更難集成到復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，因?yàn)榛逄貏e難以制造，使得 SiC 二極管和 MOSFET 過(guò)于昂貴。當(dāng)新的制造方法實(shí)現(xiàn)了 SiC 器件的大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，這一切都發(fā)生了變化，這些器件目前正在改變?cè)S多依賴高壓系統(tǒng)的行業(yè)，例如井下石油鉆機(jī)的電源轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)中心的電源、太陽(yáng)能逆變器等等。

然而，在為電子展做準(zhǔn)備時(shí)，我們與 Michael、Vittorio 和 Luigi 坐下來(lái)，以更好地了解汽車行業(yè)背景下的 SiC，因?yàn)樗?SiC 革命的范圍和影響的一個(gè)很好的例子。確實(shí)，雖然碳化硅器件增加了電動(dòng)汽車的電池壽命，但沒有多少人明白這并不意味著更傳統(tǒng)的硅元件的消亡。事實(shí)上，盡管行業(yè)需要 SiC 二極管和 MOSFET 將電動(dòng)汽車推向更多的車道，但制造商仍將傳統(tǒng)的硅 IC 廣泛用于所有車輛的數(shù)字系統(tǒng)以及低壓應(yīng)用。 每種材料都具有內(nèi)在特性，可在特定用例中提供巨大的價(jià)值和性能。要掌握碳化硅在未來(lái)將扮演的角色，我們必須深入研究它的原子結(jié)構(gòu)，看看它在哪些類型的設(shè)計(jì)中最閃耀。

多型，革命起源的 SiC 晶格

在其最基本的表達(dá)中，碳化硅是一種化合物，包含以三維立方、六邊形或矩形晶格的形狀排列的硅 （Si） 和碳 （C） 原子。這種原子結(jié)構(gòu)解釋了為什么 SiC 很難在電子設(shè)備中使用，因?yàn)樗木w形式極大地復(fù)雜了行業(yè)制造 SiC 晶圓和在其上構(gòu)建設(shè)備的能力。此外，SiC 是多晶型的，這意味著晶格可以采用多種形式。SiC 實(shí)際上是多晶型半導(dǎo)體之一，因?yàn)槲覀兡壳爸?250 多種多型，每種都具有特定的電氣特性。

例如，3C-SiC 多型體由立方晶格 （3C） 中的三個(gè)雙層組成。由于其形狀提供更高的對(duì)稱性，電子散射較少，使其成為在室溫下具有最高最大電子低場(chǎng)遷移率（1000 cm 2 /Vs 1）的碳化硅結(jié)構(gòu)。另一方面，6H-SiC（六方晶格中的六個(gè)雙層）的電子遷移率可能不那么有趣，其電子遷移率為 380 cm 2 /Vs，但其較小的對(duì)稱性使其更容易制造。當(dāng)涉及到電性能之間的折衷（其電子遷移率達(dá)到 947 cm 2/Vs） 和易于制造。

SiC，作為革命驅(qū)動(dòng)力的寬帶隙

在所有情況下，晶格中硅和碳原子的排列使 SiC 成為寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體，因?yàn)殡娮幽軌虼┻^(guò) SiC 晶格。以最基本的方式，原子包含一個(gè)原子核和電子：硅原子有 14 個(gè)，碳原子有 6 個(gè)。根據(jù)能帶理論，電子有兩種能態(tài)，我們通常用兩個(gè)能帶來(lái)表示。高能電子屬于導(dǎo)帶，低能電子屬于價(jià)帶。中間的帶是帶隙，我們用電子伏特或 eV 來(lái)表征。帶隙的另一個(gè)名稱是禁帶，因?yàn)殡娮硬荒艽嬖谟谄渲?，這意味著它們要么在導(dǎo)帶中，要么在價(jià)帶中。

在導(dǎo)體中，帶隙是不存在的，因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶重疊。因此，當(dāng)我們向?qū)w施加電流時(shí)，電子將從價(jià)帶流向?qū)?，從而使電流以最小?a target="_blank">電阻通過(guò)。相反，絕緣體的禁帶超過(guò) 9 eV，這意味著在室溫下電子不會(huì)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而阻止電流通過(guò)。

最后，半導(dǎo)體也有帶隙，這意味著理論上在 0 開爾文時(shí)沒有導(dǎo)電性，但禁帶足夠小，電子仍然可以在室溫下從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶，只要有足夠的能量推動(dòng)他們到后者。硅半導(dǎo)體的帶隙在 1 eV 和 1.5 eV 之間，而 SiC 根據(jù)多晶型在 2.3 eV 和 3.3 eV 之間波動(dòng)，因此獲得了寬帶隙半導(dǎo)體的名稱。

字面上更酷，WBG 半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)特性

擊穿電壓是絕緣體變成導(dǎo)體的最大電壓。根據(jù)我們的研究，對(duì)于擊穿電壓為 1 V 的硅器件，類似的 6H-SiC 模型對(duì)于 4H-SiC 組件需要 56 V 或 46 V。在開發(fā)高電壓應(yīng)用時(shí)，例如那些依賴于電動(dòng)汽車電池的應(yīng)用，Si 器件的低擊穿電壓是不可取的。此外，SiC 在 1，200 V 時(shí)具有如此低的電阻，要實(shí)現(xiàn)類似的性能，硅芯片需要大 20 倍，這意味著在高電壓下，SiC 可大幅降低開關(guān)損耗，進(jìn)而大幅降低功率損耗。

因此，SiC 不僅在相同的高壓條件下產(chǎn)生更低的溫度，而且我們的 SiC 器件可以承受高達(dá) 200 oC 的結(jié)溫，而類似的 Si 組件則徘徊在 150 oC 左右。此外，根據(jù)我們的數(shù)據(jù)，在 25 kHz 的開關(guān)頻率下，5 kW 升壓轉(zhuǎn)換器中的 SiC MOSFET 將產(chǎn)生 11.1 W 的總功率損耗，而硅絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 的總功率損耗為 25.6 W，并且間隙在 25 kHz 以上迅速增加。

牽引逆變器，WBG 半導(dǎo)體的變革性應(yīng)用

在高壓設(shè)計(jì)中使用 WBG 半導(dǎo)體意味著工程師現(xiàn)在可以提供更快的開關(guān)性能和更高的功率效率，從而轉(zhuǎn)化為更小且更易于冷卻的模塊。還值得注意的是，在處理較低電壓軌時(shí)，傳統(tǒng)的硅器件仍然具有出色的性能，并且它們無(wú)處不在意味著它們將仍然是我們車輛中存在的 12 V 和 48 V 系統(tǒng)的中心。然而，當(dāng)涉及到 400 V、800 V 或 1，200 V 時(shí)，SiC 的固有特性為新的可能性打開了大門。因此，為了透視碳化硅的優(yōu)勢(shì)，Michael 的演講將集中在一個(gè)流行的例子：牽引逆變器。

在電動(dòng)汽車中，牽引逆變器從電池中獲取高電壓（通常在 400 V 和 800 V 之間），并為驅(qū)動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生三個(gè)交流相。

由于新的性能和效率水平，碳化硅的固有特性使工程師能夠進(jìn)入新領(lǐng)域。

超級(jí)充電汽車，今天可見的明天的 SiC 革命

碳化硅還減小了電動(dòng)汽車車載充電器和電池管理解決方案的尺寸，最近導(dǎo)致它們集成到 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和配電單元中。 這種卓越的四合一解決方案如今已應(yīng)用于商用電池供電的電動(dòng)汽車，并將確保價(jià)格實(shí)惠的電動(dòng)汽車的普及。因此，如果 Vittorio Giuffrida 和 Luigi Abbatelli 的研究或 Michael Lütt 的演講告訴我們一件事，那就是碳化硅已經(jīng)在改變行業(yè)，讓無(wú)排放汽車更接近普通消費(fèi)者。因此，當(dāng)我們說(shuō)我們的SiC MOSFET和SiC 二極管正在改變這個(gè)行業(yè)，這是因?yàn)槲覀儗?duì)寬帶隙半導(dǎo)體的掌握已經(jīng)帶來(lái)了制造商和司機(jī)已經(jīng)可以享受的真正轉(zhuǎn)變。