超越汽車，碳化硅革命及其對硅器件的影響

碳化硅設備遠非新事物，因為粉末形式的合成版本已在 1890 年代初批量生產，并且該材料在 20 世紀初的第一臺收音機中找到了家。第一個 LED 還使用了 SiC 晶體，該晶體在陰極發出黃光。然而，直到現在，這種材料更難集成到復雜的電子系統中，因為基板特別難以制造，使得 SiC 二極管和 MOSFET 過于昂貴。當新的制造方法實現了 SiC 器件的大規模生產時，這一切都發生了變化，這些器件目前正在改變許多依賴高壓系統的行業，例如井下石油鉆機的電源轉換器、數據中心的電源、太陽能逆變器等等。

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

多型，革命起源的 SiC 晶格

在其最基本的表達中，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。這種原子結構解釋了為什么 SiC 很難在電子設備中使用，因為它的晶體形式極大地復雜了行業制造 SiC 晶圓和在其上構建設備的能力。此外，SiC 是多晶型的，這意味著晶格可以采用多種形式。SiC 實際上是多晶型半導體之一，因為我們目前知道 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） 中的三個雙層組成。由于其形狀提供更高的對稱性，電子散射較少，使其成為在室溫下具有最高最大電子低場遷移率（1000 cm 2 /Vs 1）的碳化硅結構。另一方面，6H-SiC（六方晶格中的六個雙層）的電子遷移率可能不那么有趣，其電子遷移率為 380 cm 2 /Vs，但其較小的對稱性使其更容易制造。當涉及到電性能之間的折衷（其電子遷移率達到 947 cm 2/Vs） 和易于制造。

SiC，作為革命驅動力的寬帶隙

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） 半導體，因為電子能夠穿過 SiC 晶格。以最基本的方式，原子包含一個原子核和電子：硅原子有 14 個，碳原子有 6 個。根據能帶理論，電子有兩種能態，我們通常用兩個能帶來表示。高能電子屬于導帶，低能電子屬于價帶。中間的帶是帶隙，我們用電子伏特或 eV 來表征。帶隙的另一個名稱是禁帶，因為電子不能存在于其中，這意味著它們要么在導帶中，要么在價帶中。

在導體中，帶隙是不存在的，因為導帶和價帶重疊。因此，當我們向導體施加電流時，電子將從價帶流向導帶，從而使電流以最小的電阻通過。相反，絕緣體的禁帶超過 9 eV，這意味著在室溫下電子不會從價帶躍遷到導帶，從而阻止電流通過。

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

字面上更酷，WBG 半導體的優勢特性

擊穿電壓是絕緣體變成導體的最大電壓。根據我們的研究，對于擊穿電壓為 1 V 的硅器件，類似的 6H-SiC 模型對于 4H-SiC 組件需要 56 V 或 46 V。在開發高電壓應用時，例如那些依賴于電動汽車電池的應用，Si 器件的低擊穿電壓是不可取的。此外，SiC 在 1，200 V 時具有如此低的電阻，要實現類似的性能，硅芯片需要大 20 倍，這意味著在高電壓下，SiC 可大幅降低開關損耗，進而大幅降低功率損耗。

因此，SiC 不僅在相同的高壓條件下產生更低的溫度，而且我們的 SiC 器件可以承受高達 200 oC 的結溫，而類似的 Si 組件則徘徊在 150 oC 左右。此外，根據我們的數據，在 25 kHz 的開關頻率下，5 kW 升壓轉換器中的 SiC MOSFET 將產生 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 半導體的變革性應用

在高壓設計中使用 WBG 半導體意味著工程師現在可以提供更快的開關性能和更高的功率效率，從而轉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，傳統的硅器件仍然具有出色的性能，并且它們無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 系統的中心。然而，當涉及到 400 V、800 V 或 1，200 V 時，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勢，Michael 的演講將集中在一個流行的例子：牽引逆變器。

在電動汽車中，牽引逆變器從電池中獲取高電壓（通常在 400 V 和 800 V 之間），并為驅動汽車的電動機產生三個交流相。

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入新領域。

超級充電汽車，今天可見的明天的 SiC 革命

碳化硅還減小了電動汽車車載充電器和電池管理解決方案的尺寸，最近導致它們集成到 DC-DC 轉換器和配電單元中。 這種卓越的四合一解決方案如今已應用于商用電池供電的電動汽車，并將確保價格實惠的電動汽車的普及。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，那就是碳化硅已經在改變行業，讓無排放汽車更接近普通消費者。因此，當我們說我們的SiC MOSFET和SiC 二極管正在改變這個行業，這是因為我們對寬帶隙半導體的掌握已經帶來了制造商和司機已經可以享受的真正轉變。