随著(zhe)物(wù)聯網(IoT)、大數據和人工(gōng)智能(néng)(AI)驅動的全新計算(suàn)時代到(dào)來，對節能(néng)芯片的需求正在穩步增長。在這種情況下(xià)，我們通(tōng)常考慮摩爾定律，縮小(xiǎo)晶體管的尺寸。

然而，功率半導體的進步并不取決于晶體管尺寸的減少。矽電源開關，如MOSFET(金屬-氧化物(wù)半導體場效應晶體管)和IGBT(絕緣栅雙極型晶體管)，被用來處理12V到(dào)+3.3kV的電壓和數百安培的電流。這些開關要消耗很多(duō)能(néng)量！但它們的能(néng)力有限，這推動了碳化矽(SiC)等新材料的發展，這些新材料有望提供優異的性能(néng)。

碳化矽是一(yī)種複合半導體材料，它将矽和碳結合在一(yī)起，創造出了矽的超級表親。與矽相(xiàng)比，碳化矽需要三倍以上(shàng)的能(néng)量才能(néng)使電子開始自(zì)由移動。這種更寬的禁帶寬度給了材料有趣的特性，如更快的開關和更高(gāo)的功率密度。下(xià)面将重點介紹兩個用例，從中看(kàn)出SiC設備可以帶來的顯著好處。

SiC用于汽車

研究公司Yole development的數據顯示，世界上(shàng)有超過10億輛汽車。截至2017年(nián)，190萬輛汽車(約0.2%)是電動汽車。到(dào)2040年(nián)，這一(yī)比例預計将增長到(dào)50%，因此，提高(gāo)電力效率至關重要。

電動汽車通(tōng)常有一(yī)個主發動機來驅動車輪，六個功率晶體管和二極管被用來驅動馬達。每個晶體管需要能(néng)夠阻擋700V和轉換幾百安培。大多(duō)數電源開關使用脈沖寬度調制(PWM)技(jì)術，這意味著(zhe)他們每秒(miǎo)打開/關閉成千上(shàng)萬次。當晶體管打開/關閉時，狀态之間有一(yī)個過渡延遲(Figure 1)。就(jiù)像打開/關閉水(shuǐ)龍頭，徹底打開/關閉閥門需要一(yī)定時間,在這段時間内，一(yī)些水(shuǐ)可能(néng)會被浪費。同樣的道理也适用于晶體管，在電力應用中，一(yī)個重要的目标是盡量提高(gāo)開關速度，以減少開關損耗，實現更高(gāo)的效率。

更好的開關性能(néng)、低(dī)導通(tōng)電阻和高(gāo)擊穿電壓使SiC器(qì)件(jiàn)成爲傳統矽功率器(qì)件(jiàn)(MOSFET)、DC-DC轉換器(qì)、不間斷電源系統和電機應用的理想替代品(Figure 2)。

使用SiC MOSFET可以用更少的功率驅動電動汽車的馬達，最終提高(gāo)電動汽車的行駛裏程。因爲更高(gāo)的開關頻率帶來更高(gāo)的功率密度和更小(xiǎo)更輕的電機，熱量浪費的減少又(yòu)允許電動汽車使用更小(xiǎo)更輕的散熱器(qì)，進一(yī)步優化汽車重量和行駛裏程。

SiC用于太陽能(néng)

SiC的另一(yī)個應用是太陽能(néng)逆變器(qì)，它的尺寸隻有基于IGBT解決方案的一(yī)半。SiC更快的開關速度意味著(zhe)制造商可以減少系統中無源元件(jiàn)的尺寸。大型電容器(qì)和變壓器(qì)可以用更小(xiǎo)的替代品來代替，同時還可以減小(xiǎo)散熱器(qì)的尺寸。随著(zhe)系統效率的提高(gāo)，能(néng)量捕獲實現最大化。

使用SiC

盡管SiC設備有令人興奮的巨大潛力，但目前仍存在制造問題。一(yī)個主要的問題是襯底缺陷，爲了獲得商業成功所需的高(gāo)産量，SiC設備必須減少這些缺陷。應用材料公司正在與生(shēng)态系統的參與者，包括SiC晶圓制造商和IDM(集成器(qì)件(jiàn)制造商)公司合作，專門解決可制造性問題。我們後續再讨論這方面的發展。

許多(duō)行業預測人士認爲，SiC最終将在更高(gāo)電壓和高(gāo)功耗的應用領域取代矽。正如所有的超級英雄一(yī)樣，當行業接受SiC時，它将能(néng)應對更大的功耗和效率挑戰，從而使世界變得更加美好。