一、碳化硅場(chǎng)效應管

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見(jiàn)的礦物，莫桑石。 碳化硅又稱(chēng)碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應用最廣泛、最經(jīng)濟的一種?？梢苑Q(chēng)為金鋼砂或耐火砂。

碳化硅由于化學(xué)性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內壁，可提高其耐磨性而延長(cháng)使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導熱性能，是一種半導體，高溫時(shí)能抗氧化。

碳化硅歷程表

1905年 第一次在隕石中發(fā)現碳化硅

1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生

1955年 理論和技術(shù)上重大突破，LELY提出生長(cháng)高品質(zhì)碳化概念，從此將SiC作為重要的電子材料

1958年 在波士頓召開(kāi)第一次世界碳化硅會(huì )議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流

1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進(jìn)行研究。到1978年首次采用“LELY改進(jìn)技術(shù)”的晶粒提純生長(cháng)方法

1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線(xiàn)，供應商開(kāi)始提供商品化的碳化硅基。

2001年德國Infineon公司推出SiC二極管產(chǎn)品，美國Cree和意法半導體等廠(chǎng)商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無(wú)線(xiàn)及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。

2013年9月29日，碳化硅半導體國際學(xué)會(huì )“ICSCRM 2013”召開(kāi)，24個(gè)國家的半導體企業(yè)、科研院校等136家單位與會(huì )，人數達到794人次，為歷年來(lái)之最。國際知名的半導體器件廠(chǎng)商，如科銳、KIA可易亞、英飛凌、飛兆等在會(huì )議上均展示出了最新量產(chǎn)化的碳化硅器件。

碳化硅MOS的優(yōu)勢

硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無(wú)法實(shí)現。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)具備單極型器件的卓越開(kāi)關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開(kāi)關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的工作頻率。

20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復時(shí)間trr和反向恢復電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來(lái)說(shuō)（特別當LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標非常關(guān)鍵，它可以減小死區時(shí)間以及體二極管的反向恢復帶來(lái)的損耗和噪音，便于提高開(kāi)關(guān)工作頻率。

碳化硅MOS管的應用

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車(chē)及軌道交通等中高功率電力系統應用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢，可以突破現有電動(dòng)汽車(chē)電機設計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內外電動(dòng)汽車(chē)電機領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開(kāi)發(fā)的混合電動(dòng)汽車(chē)（HEV）、純電動(dòng)汽車(chē)（EV）內功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開(kāi)發(fā)的EV馬達驅動(dòng)系統，使用SiC MOSFET模塊，功率驅動(dòng)模塊集成到了電機內，實(shí)現了一體化和小型化目標。預計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應用在國內外的電動(dòng)汽車(chē)上。

碳化硅制品的應用

（一）在冶金工業(yè)上的應用

(1)煉鐵。在煉鐵高爐的爐缸、爐腹、爐腰及風(fēng)口區使用碳化硅磚、氮化硅結合碳化硅磚或石墨碳化硅磚。在高爐風(fēng)口上使用氮化硅結合的碳化硅套磚。在魚(yú)雷罐和混鐵爐的爐襯上，以及鐵溝料、出鐵口用的炮泥中使用含碳化硅的Al2O3-SiC-C復合磚和不定形材料。

(2)煉鋼。在煉鋼方面，用碳化硅制成鋼水測溫套管，用含碳化硅的不燒磚做盛鋼桶內襯,在連鑄用長(cháng)水口磚和整體塞棒上使用含碳化硅質(zhì)的Al2O3-SiC-C磚。

(3)軋鋼。在軋鋼加熱爐上用剛玉碳化硅滑軌磚、非金屬陶瓷換熱器，在鐵鱗還原爐上用碳化硅質(zhì)馬弗罩等。

（二）在有色金屬工業(yè)中的應用

(1)煉銅。在煉銅方面，在電解銅熔化豎爐的燒嘴區等易損部位使用碳化硅磚。

(2)煉鋁。在煉鋁方面，煉鋁反射爐內襯、爐底、液面下側墻用碳化硅磚或氮化硅、賽隆結合的碳化硅磚。煉鋁的電解槽、流鋁槽、出鋁口、鑄鋁模都使用碳化硅磚。

(3)煉鋅。在煉鋅方面，煉鋅豎罐蒸餾爐、冷凝器及轉子等熱工設備使用碳化硅爐襯。電熱蒸餾爐、電極孔、鋅蒸氣循環(huán)管及通道，冷凝器及轉子等部位也使用碳化硅磚。鋅精餾爐的塔盤(pán)也使用碳化硅制品。

(4)煉鎂爐。煉鎂爐的爐襯、有色金屬冶煉用的坩堝，使用碳化硅質(zhì)耐火材料。

（三）在建材工業(yè)上的應用

(1)在陶瓷方面，用于生產(chǎn)日用陶瓷、建筑陶瓷、美術(shù)陶瓷、電子陶瓷等的隧道窯、梭式窯、罩式窯、倒焰窯等各種窯爐的碳化硅棚板、水平支柱、匣缽等。在隔焰窯上用碳化硅板做隔焰板、爐底等。在電爐上可做電爐襯套和馬弗套。

(2)在水泥回轉窯上，耐磨碳化硅磚用做卸料口爐襯磚。

(3)在玻璃工業(yè)上，用碳化硅磚砌筑罐式窯和槽式窯蓄熱室的高溫部位，玻璃退火爐和高壓鍋爐，以及垃圾焚燒爐燃燒室的內襯。

（四）在石油化工方面的應用

以硫酸分解食鹽制造HCl和Na2S04時(shí)用碳化硅材料制造馬弗套、制造硫酸用碳化硅霧化噴嘴、溢流槽。用氮化硅結合碳化硅材料制造即送泵零件、在催裂化裝置用碳化硅做高溫蒸氣噴嘴，在紙漿生產(chǎn)中做分離亞硫酸鹽蒸壓釜內襯。用碳化硅制品做石油化工和熱電廠(chǎng)各種鍋爐的旋風(fēng)除塵器的內襯。

（五）在機械工業(yè)上的應用

(1)做磨料、磨具。

(2)在氣體滲碳爐上做加熱輻射管。

(3)用碳化硅制造各種高溫爐管、熱電偶管、遠紅外反射板。

(4)利用碳化硅材料的良好導電性能，可以制成非金屬電熱元件。

商業(yè)前景

近幾年來(lái)，商業(yè)化進(jìn)程取得了巨大的進(jìn)步。除了創(chuàng )造有利于供應商和用戶(hù)的競爭格局之外，有多家 SiC MOSFET 供應商可以滿(mǎn)足對第二供應商的擔憂(yōu)。如前所述，鑒于器件的漫長(cháng)演進(jìn)過(guò)程，多家 SiC MOSFET 供應商擁有足夠可靠的器件的事實(shí)是一次巨大的進(jìn)步。經(jīng)許可轉自 Yole Développement 的《2016 功率 SiC》報告的圖 5，顯示出截至 2016 年 7 月各供應商的 SiC MOSFET 活動(dòng)。Wolfspeed、ROHM、ST Microelectronics 和 Microsemi 均推出了市售的零部件；

多晶片功率模塊也是 SiC 領(lǐng)域客戶(hù)和供應商之間的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。圖 6，同樣轉自 Yole’sDéveloppement 2016 年的報告，顯示了 SiC 模塊開(kāi)發(fā)活動(dòng)的狀態(tài)。我們相信，對分離封裝的 SiC MOSFET 仍然存在大量的機會(huì )，因為控制和功率電路的最佳布局實(shí)踐可以很容易地將分離解決方案的適用性擴展到幾十千瓦。更高的功率水平和簡(jiǎn)化系統設計的動(dòng)機將推動(dòng) SiC 模塊的開(kāi)發(fā)工作，但是從封裝、控制電路和周?chē)墓β式M件中優(yōu)化寄生電感的重要性不能被夸大。

當談到 SiC MOSFET 商業(yè)前景時(shí)最后一點(diǎn)不可回避的問(wèn)題是價(jià)格。我們關(guān)于價(jià)格侵蝕的看法是有利的，主要是我們的方法的兩個(gè)方面：首先，我們的器件是在一個(gè)汽車(chē)級的硅 CMOS 工廠(chǎng)中制造的；其次，這種工藝采用的是 150 毫米晶圓?？梢院?jiǎn)單地說(shuō)，利用現有的硅 CMOS 工廠(chǎng)的核心優(yōu)勢是缺乏資本支出和優(yōu)化經(jīng)營(yíng)費用（這兩者都會(huì )被傳遞到最終客戶(hù)）。此外，采用 150 毫米晶圓進(jìn)行制造產(chǎn)出的器件要比 100 毫米晶圓多出兩倍，這大大影響了每個(gè)模具的成本。根據在 Digi-Key 公司進(jìn)行的一項市售 SiC MOSFET 調查，圖 7 中給出了一些關(guān)于價(jià)格的預示。例如，自從六年前在 Digi-Key 公司的首次公告，TO-247 封裝的 1200V、80 mΩ器件的價(jià)格下降了超過(guò)百分之八十，即使 SiC MOSFET 仍然比類(lèi)似的硅 IGBT 貴兩到三倍。在今天的價(jià)格水平上，相比較硅 IGBT，設計人員已經(jīng)看到了使用 SiC MOSFET 所帶來(lái)的巨大的系統層面的價(jià)格效益，而且我們預計，隨著(zhù) 150 毫米晶圓的規模經(jīng)濟形成，SiC MOSFET 的價(jià)格將會(huì )繼續下降。

圖 1：不同供應商的 SiC MOSFET 開(kāi)發(fā)活動(dòng)的狀況

圖 2：SiC 功率模塊開(kāi)發(fā)活動(dòng)的狀況【13，經(jīng)許可轉載】。藍色圓圈表示只有 SiC 器件的模塊，而橙色圓圈表示使用硅晶體管和 SiC 二極管的模塊。

圖 3：在 Digi-Key 公司【www.digikey.com】看到的關(guān)于市售 SiC MOSFET 的價(jià)格調查。

結論

上個(gè)世紀 80 年代，硅IGBT 對電力電子行業(yè)產(chǎn)生了巨大的積極影響，從那時(shí)起，它一直是這個(gè)行業(yè)的主力。下一項革命性的技術(shù)將是 SiC MOSFET。SiC MOSFET 今天的發(fā)展狀況指出了主要的商業(yè)障礙（包括價(jià)格、可靠性、耐用性和供應商的多樣化）的解決方案。盡管價(jià)格溢價(jià)超過(guò)硅 IGBT，但由于成本抵消的系統層面效益，SiC MOSFET 已經(jīng)取得了成功；隨著(zhù)材料成本的下降，這種技術(shù)的市場(chǎng)份額在未來(lái)幾年將大幅增加。經(jīng)過(guò) 40 多年的開(kāi)發(fā)工作，SiCMOSFET 終于似乎做好了廣泛的商業(yè)成功的準備，并在綠色能源運動(dòng)中發(fā)揮出重要的角色。

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