碳化硅是一種非常高效的材料，具有高功率和高溫特性。

碳化硅 (SiC) 半導體是提高系統效率、支持更高工作溫度和降低電力電子設計成本的創新選擇。碳化硅是硅和碳的化合物，是一種具有同素異形變體的半導體材料。電流密度很容易達到5甚至10 A/mm2，而SiC的放電電壓一般在100 V/μm的范圍內，而硅則為10 V/μm。碳化硅的特性使其成為用于生物醫學材料、高溫半導體器件、同步加速器光學元件以及輕質、高強度結構的理想材料。

碳化硅組件的制造工藝（圖片來源：GT Advanced Technologies）

由于碳化硅具有高導熱性，它比其他半導體材料散熱更快。因此，碳化硅器件可以在極高的功率水平下運行，并且仍然可以消散器件產生的大量多余熱量。

Microchip Technology 分立和電源管理業務部戰略營銷經理奧蘭多·埃斯帕扎 (Orlando Esparza) 表示：“碳化硅的增長率很高，碳化硅供應商要滿足快速增長的需求將面臨挑戰。“碳化硅功率器件并未商品化，在性能、可靠性和堅固性方面存在真正的差異。鑒于來自不同供應商的各種設計、開發和制造 [環境]，最低成本的設備不太可能滿足關鍵任務應用程序的高可靠性要求。設計人員需要確保他們在自己的工作臺和系統上仔細評估設備性能、可靠性和嚴格條件下的性能下降。”

SiC 塊狀晶體：一種新的商業模式

強勁的市場需求和對 SiC 產品的持續趨勢促使公司優化 SiC 生產工藝。徹底改變基板供應鏈可以快速響應對高功率解決方案不斷增長的需求。

從材料到成品（圖片：GT Advanced Technologies）

GT Advanced Technologies 為晶圓制造商提供晶體，使他們能夠迅速擴展到基板生產市場。GT 的商業模式使公司能夠避免與現有企業和新競爭對手直接競爭，而是讓它更高效、更快速地擴展，提供高晶體質量并降低成本。

GT Advanced Technologies 總裁兼首席執行官 Greg Knight 表示：“我們的商業模式是，我們銷售晶體本身，即塊狀晶體，其外形尺寸可以隨時進行晶圓加工。” “我們種植晶體，將其研磨到指定的直徑，然后將其切成特定的形狀，這就是我們銷售的產品。我們的客戶拿下那個 [水晶]，把它放進線鋸，然后就走了。”

“您可以通過碳化硅快速了解到任何地方都沒有簡單的元素，”奈特說。“晶體的生長非常困難。一旦你有了晶體，因為它是一種非常堅硬、易碎的單晶材料，沒有什么是容易的。我們專注于晶體生長，我認為這是目前材料價值鏈中最困難的一步。之所以困難，是因為這是一個完全盲目的過程；你無法看到或直接衡量你在做什么。您必須對盲流程進行非常、非常穩健的流程控制。”

碳化硅和封裝

SiC 提供的高性能實現了更小、更熱效率的封裝，盡管它們必須采用對稱布局設計以最小化電路電感。碳化硅不是天然礦物。碳化硅摻雜是一個困難的過程，生產具有更少缺陷的更大碳化硅晶片的挑戰使得制造和加工成本居高不下。因此，從一開始就提供良好的開發流程至關重要。

“碳化硅并非沒有缺陷；實際上，與硅相比，它是一種非常有缺陷的材料，”奈特說。“作為材料供應商，我們非常有責任提高質量并繼續降低這些缺陷水平。”

他補充說，GT Advanced Technologies “在很短的時間內在質量方面取得了巨大進步”。“大約一年前，我們開始努力大幅提高我們的水晶質量，并完成了這一步驟，現在提供我們認為是市場上最高質量的產品。我們需要不斷提高水晶的品質；這是一項持續的努力，永遠不會結束。”

Knight 說，高產量也很重要。產量越高，成本越低。并且“創新不止于設備；圍繞封裝和熱管理存在大量挑戰。整個生態系統必須繼續進行創新。”

特斯拉等公司開發了先進的電池、電機和控制技術，使高性能電動汽車 (EV) 一次充電可行駛 300 英里或更長。提高電動汽車效率的一種方法是在動力傳動系統中使用更高效的半導體開關，并增加電動輔助車輛系統的數量。然而，傳動系統中使用的電機控制電子設備被視為安全關鍵功能，因此設計人員必須使用經過充分驗證的技術。

SiC 的低開關損耗、耐高溫能力和高開關頻率使其成為滿足最佳混合 EV/EV (xEV) 要求的理想選擇。“隨著越來越多的車隊轉向電動汽車，碳化硅的增長將繼續來自汽車等行業，并且您會看到 MOSFET 超過 IGBT 的增長。今天的大用戶是特斯拉，”奈特說。

為了演示 SiC 功率 MOSFET 和二極管在半橋配置中的連續運行，Littelfuse 構建了一個柵極驅動器評估平臺 (GDEV)。該平臺提供了一組明確定義的測試條件和快速連接功能，以評估和比較不同驅動板設計與不同驅動器 IC 的性能。它還具有完整的熱解決方案，允許功率設備在高電壓和高電流下連續運行并提供實際功率。

柵極驅動器評估平臺（圖片來源：Littelfuse）

碳化硅技術正在大功率項目中得到應用，例如電機、電力驅動器和逆變器或變頻器，例如動力系統逆變器和車載充電器 (OBC)。

Microchip Technology 的 Esparza 表示：“一些電機應用在較低頻率下開關并沒有充分利用碳化硅的快速開關能力。“電動汽車電機驅動應用的目標是碳化硅，以從更高的功率密度、更高的結溫和更小的整體設計中受益。”

Microchip 的 MSCSICPFC/REF5 是一款三相維也納功率因數校正 (PFC) 參考設計，適用于混合動力 EV/EV 充電器和高功率開關模式電源。該參考設計在 20 kW 輸出功率下實現了 98.5% 的效率，并且能夠以 30 kW 的功率運行。

Esparza 說：“行業需要將他們的思維從基于硅的設計轉變為碳化硅技術。“需要對整個拓撲、系統和材料清單進行系統級方法和評估，以證明轉向碳化硅的合理性。所有行業都可以從 SiC 中受益，我們看到了各個行業的興趣和應用：醫療、工業、汽車、計算、航空、國防、太空等。”

三相 Vienna 功率因數校正參考設計（圖片來源：Microchip）

其他寬帶隙材料

在某些應用中，碳化硅并不是唯一一種被視為硅替代品的寬帶隙材料。氮化鎵 (GaN) 組件也正在改變電力電子領域，從大約 100 W 的電源開始。 GaN 技術也正在進入 RF 放大器，這要歸功于使其適用于轉換和電源系統的相同特性。

然而，唯一的寬帶隙 IV 族半導體材料是 SiC 和金剛石。“鉆石顯然是一種寬帶隙材料，具有一些驚人的特性，”奈特說。“目前還沒有培育大型單晶金剛石的能力。它是在非常非常小的晶體中以非常非常低的產量完成的。但如果我想到一種最終會取代 SiC 的材料，那可能就是金剛石。這是一個全新的技術挑戰水平。”

我們正在經歷社會如何使用電力的革命。與硅等傳統材料相比，寬帶隙材料能夠提高功率轉換應用的效率。SiC 與其 III-V 族對應物 GaN 一起提供了能源方面的優勢，使其成為電力電子開發的關注焦點。