引领电能质量新时代｜碳化硅材料应用背景与优势分析

半导体技术的发展为电力电子行业的发展与进步提供了重要推动力，而半导体材料的应用为半导体产业的发展奠定了基础。

一、半导体材料进化史

上世纪中旬，锗(Ge)作为关键半导体材料在工业领域得到普遍应用。随着工业进程的不断推进，锗(Ge)的局限性日益凸显，半导体材料逐渐由抗辐射性能较差的锗(Ge)变为抗辐射性能较好的硅（Si）材料。此后，以硅（Si）材料为主的功率半导体器件成为了工业发展的主流。

二十世纪末期，功率半导体器件蓬勃发展，很多以硅（Si）材料为基础的功率器件相继问世，并在电力电子行业得以广泛应用，比如IGBT、GTO、IPM等。硅（Si）器件产业应用体系日趋成熟，但受到其本身物理特性的限制，硅（Si）材料无法满足高温、高压以及高功率密度等场合的应用。为满足行业需求的不断变化，市场将目光转移至半导体新材料——碳化硅(SiC)，碳化硅(SiC)材料特性优势不断被发掘应用，成为备受关注的电力电子器件热门材料。

近年来，市场上的碳化硅(SiC)衬底的直径越来越大，位错、微管等缺陷的密度越来越低，碳化硅(SiC)半导体开关成品率不断提升，行业体系逐渐成熟。随着碳化硅(SiC)半导体开关突破了硅（Si）质开关电压（>1kV）和温度（>

二、碳化硅（SiC）半导体开关优势

在碳化硅（SiC）半导体开关以及硅（Si）质开关器件的对比中，碳化硅（SiC）半导体开关具备更优势的性能特征。碳化硅（SiC）半导体开关主要优点有高耐压能力、高功率密度、低损耗、高热导率、高开关频率等。

高耐压能力

碳化硅半导体开关的禁带宽度比硅质开关器件高3倍以上，临界击穿场强是硅质半导体开关的10倍以上，所能承受的峰值电压更高，输出功率更大。

高功率密度

相同电压等级下，碳化硅半导体开关的漂移区比硅质半导体开关器件更薄，使功率模块整体尺寸更小，极大提高了整个模块的功率密度。

低损耗

碳化硅半导体开关的导通电阻更小，有效降低开关过程中的导通损耗，提升了整个模块的效率。

高热导率

碳化硅半导体开关的热传导率是硅质半导体开关的3倍以上；具备更强的散热能力，降低了散热系统的要求。

高开关频率

碳化硅半导体开关的载流子饱和速率更高；载流子饱和速率相比硅质半导体开关高10倍以上，因此碳化硅开关拥有更高的开关频率。

由于优异的力学性能、良好的电学性能和热学性能，碳化硅(SiC)材料已经成为一种具有广阔应用前景的新型材料。更为重要的是，高性能新材料的涌现带动了新材料产业升级，催生出一系列新的装备和工艺，共同构成了产业的核心竞争力。新材料关键技术的突破与应用，推动制造业在关键领域的赶超与发展。