隨著我們進(jìn)入由物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、大數(shù)據(jù)和人工智能 (AI) 驅(qū)動(dòng)的新計(jì)算時(shí)代，對更節(jié)能芯片的需求不斷增長。在這種情況下，我們通常會(huì)想到摩爾定律和減小晶體管的尺寸。

然而，功率半導(dǎo)體的進(jìn)步不受節(jié)點(diǎn)尺寸縮小的影響。MOSFET 和 IGBT 等硅功率開關(guān)設(shè)計(jì)用于處理 12V 至 +3.3kV 的電壓和數(shù)百安培的電流。通過這些開關(guān)的功率很大！但它們的能力是有限的，這推動(dòng)了碳化硅 (SiC) 等具有卓越性能的新材料的開發(fā)。

碳化硅是一種化合物半導(dǎo)體材料，它結(jié)合了硅和碳，創(chuàng)造了硅的超級英雄表親。要讓電子開始在材料內(nèi)自由移動(dòng)，需要多出三倍的能量。這種更寬的帶隙使材料具有有趣的特性，例如更快的開關(guān)和更高的功率密度。我將重點(diǎn)介紹 SiC 器件可以帶來顯著優(yōu)勢的兩個(gè)用例。

汽車中的碳化硅

第一個(gè)例子是汽車。據(jù)研究公司 Yole Developpement 稱，道路上有超過 10 億輛汽車。截至 2017 年，190 萬輛汽車或約 0.2% 是電動(dòng)汽車。預(yù)計(jì)到 2040 年，這一比例將增長到 50%，因此提高能效的影響可能相當(dāng)大。

電動(dòng)汽車通常具有為車輪提供動(dòng)力的主電機(jī)。部署了六個(gè)功率晶體管和二極管來轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。每個(gè)晶體管都需要能夠阻止 700V 和開關(guān)幾百安培。大多數(shù)電源開關(guān)使用脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù)，這意味著它們每秒打開和關(guān)閉數(shù)千次。當(dāng)晶體管打開和關(guān)閉時(shí)，狀態(tài)之間存在轉(zhuǎn)換延遲（圖 1）。就像轉(zhuǎn)動(dòng)水龍頭一樣，完全打開和關(guān)閉閥門需要時(shí)間，在此期間，可能會(huì)浪費(fèi)一些水。在晶體管中也會(huì)發(fā)生同樣的情況。在電源應(yīng)用中，一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是盡快切換設(shè)備，以最大限度地減少浪費(fèi)的電源并實(shí)現(xiàn)更高的效率。

圖 1

圖 2

SiC太陽能中的碳化硅

SiC 的另一個(gè)應(yīng)用是太陽能逆變器，其尺寸僅為基于 IGBT 的解決方案的一半。SiC 更快的開關(guān)速度意味著制造商可以減小系統(tǒng)中無源元件的尺寸。大電容器和變壓器可以用較小的替代品代替。散熱器尺寸可以減小。隨著系統(tǒng)效率的提高，能量捕獲最大化。

使能碳化硅

雖然 SiC 器件具有令人興奮的潛力，但也存在制造問題。一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是基板缺陷?；嫖诲e(cuò)和螺旋位錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生“致命缺陷”，碳化硅器件必須減少這些缺陷才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)成功所需的高良率。應(yīng)用材料公司正在與包括 SiC 晶圓制造商和 IDM 在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)參與者合作，專門解決可制造性問題。我們將在以后的博客中討論這些發(fā)展。

許多行業(yè)預(yù)測者認(rèn)為，碳化硅最終將在更高電壓和功率的應(yīng)用中取代硅。隨著該行業(yè)采用 SiC，它可以應(yīng)對更大的功率和效率挑戰(zhàn)，并且與所有超級英雄一樣，有助于讓世界變得更美好。

審核編輯：湯梓紅