什么是碳化硅SiC？相较于Si性能优势有哪些？

目前，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料的发展开始受到重视，并在智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域得到应用，展现出了良好的发展前景。

碳化硅概述

碳化硅（SiC）是第三代半导体材料代表之一，是C元素和Si元素形成的化合物。跟传统半导体材料硅相比，它具有高临界击穿电场、高电子迁移率等明显的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，与硅材料的物理性能对比，主要特性包括：（1）临界击穿电场强度是硅材料近10倍；（2）热导率高，超过硅材料的3倍；（3）饱和电子漂移速度高，是硅材料的2倍；（4）抗辐照和化学稳定性好；（5）与硅材料一样，可以直接采用热氧化工艺在表面生长二氧化硅绝缘层。

比如，在相同耐压级别条件下，Si-MOSFET必须要做得比较厚，而且耐压越高厚度就会越越厚，导致材料成本更高。在栅极和漏极间有一个电压隔离区，这个区越宽，内阻越大，功率损耗越多，而SiC-MOSFET可以讲这个区域做得更薄，达到Si-MOSFET厚度的1/10，同时漂移区阻值降低至原来的1/300。导通电阻小了,能量损耗也就小了，性能得到提升。

SiC和Si性能大比拼

SIC优势主要有以下三点：（1）更低的阻抗，带来更小尺寸的产品设计和更高的效率；（2）更高频率的运行，能让被动元器件做得更小；（3）能在更高温度下运行，意味着冷却系统可以更简单。

另外，SiC-SBD（肖特基二极管）与Si-FRD的恢复特性对比，SiC-SBD的恢复过程几乎不受电流、温度影响；SiC-MOS与Si-IGBT/Si-MOS的开关特性比较时，开关off时的损耗大幅减少，体二极管的恢复特性尤其好。

碳化硅功率器件

碳化硅功率半导体器件包括二极管和晶体管，其中二极管主要有结势垒肖特基功率二极管（JBS）、PiN功率二极管和混合PiN肖特基二极管（MPS）；晶体管主要有金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和门极可关断晶闸管（GTO）等。

相对Si功率器件，SiC在二极管和晶体管的优势特征为：在二级管中，Ｓi-FRD构造电压可以达到250Ｖ，而换成SiＣ电压则可达到4000V左右；晶体管中Si-MOSFET可以做到900Ｖ，市场上也有1500Ｖ的，但特性会差些，而SiC产品电压可达3300V。

碳化硅功率半导体的典型应用

碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势，将极大地提高现有能源的转换效率，对高效能源转换领域产生重大而深远的影响，主要领域有智能电网、轨道交通、电动汽车、新能源并网、通讯电源等。

（1）智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器等、电力电子变压器等装置中。除了高压器件以外，智能电网应用领域对大容量器件、压接封装具有独特的需求。

（2）轨道交通

轨道交通行业也是碳化硅功率器件主要指标应用行业之一。未来轨道交通对电力电子装置，比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率，将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前，受限于碳化硅功率器件的电流容量，碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升，全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

（3）新能源汽车

新能源汽车是我国各级政府重点支持的碳化硅功率器件应用领域。碳化硅功率器件应用在电动汽车领域具有巨大的优势。碳化硅功率器件的高温特性和高热导性能可以显著减少散热器的体积和降低成本，其高频特性有助于提高电机驱动器的功率密度，减小体积，降低重量，并推动新型拓扑在电机驱动、充电桩和车载充电器中的应用，实现电动汽车半导体设备的全方位升级换代。

（4）新能源并网

目前国际上光伏并网装备市场是碳化硅功率器件的第二大应用市场，占碳化硅功率器件市场超过30 %以上。碳化硅光伏逆变器效率可以达到99 %以上，能量转换损耗可以降低50 %以上，这将极大地降低逆变器的成本和体积。风机并网装备对中高压碳化硅功率器件具有重大的需求，以代替硅器件串联或拓扑级联，显著减小装置的体积，大幅度提高风机变流器工作效率和可靠性，预计到2020年，碳化硅功率器件将进入风机并网装备市场。

（5）数据中心和通讯电源

SiC MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，SiC JBS反向恢复时间“零”特性使得电路的开关损耗大幅度降低，在数据中心和通讯电源中具有巨大优势前景。