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碳化硅材料的主要應(yīng)用

碳化硅主要有先進(jìn)陶瓷、高級(jí)耐火材料、磨料和冶金原料、半導(dǎo)體等五大應(yīng)用方向。其中，第三代半導(dǎo)體，是碳化硅最具有前景的應(yīng)用領(lǐng)域。以碳化硅為代表的第三代寬帶半導(dǎo)體材料（包括氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等）廣泛應(yīng)用于光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域。

碳化硅材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用

碳化硅基復(fù)合材料（SiC-CMC）也是碳化硅的重要領(lǐng)域，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，SiC-CMC材料主要用于熱端部件，如噴管、燃燒室火焰筒。低壓渦輪靜子葉片和噴管調(diào)節(jié)片等。

碳化硅也可做優(yōu)異的催化劑載體，在碳化硅上負(fù)載NiS2，可以有效保持NiS2的活性，可用于汽車尾氣的凈化；同時(shí)以碳化硅為載體制備的催化劑，因在支鏈烷烴的異構(gòu)化過(guò)程中，有較高的活性和選擇性，可廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域中。

令I(lǐng)GBT甘拜下風(fēng)的原因

這里說(shuō)的碳化硅做半導(dǎo)體材料，其實(shí)主要說(shuō)的采用碳化硅襯底的MOS管。純凈的碳化硅摻入三價(jià)硼，由于最外層缺少了一個(gè)電子，它就攜帶了一個(gè)正電，形成p型半導(dǎo)體，在這里碳化硅就是它的襯底，因?yàn)閹д?，所以也稱之為p型襯底，最后再加上其它結(jié)構(gòu)，就構(gòu)成了一只以碳化硅為襯底的MOS管。而常規(guī)的MOS管都是以硅為襯底的，襯底雖然不一樣，但使用方法是一樣的，都是給高電平，就能導(dǎo)通（N型），相反給低電平，MOS管就會(huì)截止。

碳化硅的MOS管

都是MOS管，但是碳化硅的MOS功率性能跟更強(qiáng)大，比如特斯拉的Model3搭載了碳化硅MOS，使它的逆變器從Model S的82%提升至Model3de 90%。所謂逆變就是將電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，因?yàn)檐嚨碾姍C(jī)是交流電機(jī)，所以需要逆變。

特斯拉Model 3逆變器

同時(shí)需要注意的是，碳化硅MOS在電動(dòng)車上取代的不是硅基的MOS，普通的MOS和碳化硅就沒(méi)有可比性了，它取代的是硅基的IGBT。

IGBT是什么？本質(zhì)上它就是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，它是MOS管和三級(jí)管的組合體，雖然IGBT也能承受高壓，但是IGBT的性能已經(jīng)達(dá)到瓶頸，很難在有質(zhì)的提升，最根本的原因就是它采用硅這種材料很難再有突破了。目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)逆變器絕大部分是基于傳統(tǒng)硅基IGBT功率模塊的設(shè)計(jì)，存在開(kāi)關(guān)頻率低、損耗達(dá)的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了新能源汽車驅(qū)動(dòng)器功率密度的提高。

禁帶寬度方面，禁帶寬度是什么？禁帶寬帶是衡量半導(dǎo)體性能的重要參數(shù)，硅的禁帶寬帶是1.12eV，而碳化硅的禁帶寬帶可高達(dá)到3.26eV，兩者相差將近三倍。簡(jiǎn)單理解就是，比如在純凈的硅晶體中，要使它最外層電子擺脫原子核的束縛，至少需要1.12eV的能量，而碳化硅就需要3.26eV的能量，才能使它的最外層電子擺脫原子核束縛。所以，不難看出碳化硅的耐壓性要更高，擊穿1cm的硅需要30萬(wàn)伏的電壓，也擊穿相同厚度的碳化硅就需要高達(dá)220萬(wàn)伏的高壓，當(dāng)MOS管斷開(kāi)時(shí)，電壓都施加在了碳化硅襯底上。因此面對(duì)同樣的電壓，采用碳化硅的器件就可以做的小很多。

熱導(dǎo)率方面，碳化硅幾乎是硅器件的3倍，也就是說(shuō)，面對(duì)同樣的熱量，碳化硅器件可以更快的散熱，這樣更有利于將器件做小。

工作溫度方面，理論上說(shuō)碳化硅器件可以工作在200℃以上的溫度，而硅器件的最高溫度只有150℃，這就大大豐富了碳化硅的應(yīng)用場(chǎng)景。

工作頻率方面，碳化硅有更快的開(kāi)關(guān)速度，使得開(kāi)關(guān)損耗大大降低。

基于這些優(yōu)異的性能，使碳化硅的模塊相比IGBT模塊提升了5%的系統(tǒng)效率，對(duì)應(yīng)的續(xù)航會(huì)增加5%，如果是一輛400千米續(xù)航的電車，采用碳化硅將增加20千米的續(xù)航，這就是為什么各大車企都在大力布局碳化硅的原因。

碳化硅半導(dǎo)體不可替代的優(yōu)勢(shì)

雖然與硅IGBT功率模塊相比，碳化硅優(yōu)勢(shì)更突出，但是，功率件的封裝技術(shù)也成為擺在大家面前的一個(gè)瓶頸。

“現(xiàn)在我們新能源汽車所用的電可能還有煤電，未來(lái)光伏發(fā)電就會(huì)占更多的比重，甚至全部使用光伏發(fā)電?！睔W陽(yáng)明高說(shuō)，光伏需要新能源汽車來(lái)儲(chǔ)能，而新能源汽車也需要完全的可再生資源。在歐陽(yáng)院士提出的三種主要應(yīng)用“光伏逆變器+儲(chǔ)能裝置+新能源汽車”中，碳化硅功率器件都是不可或缺的重要半導(dǎo)體器件。

當(dāng)前，我國(guó)正在經(jīng)歷“碳達(dá)峰”階段，并逐步過(guò)渡到“碳中和”時(shí)代。碳化硅材料在光電、風(fēng)電、電動(dòng)汽車、充電樁、特高壓等高功率、中高開(kāi)關(guān)評(píng)率的應(yīng)用中有不可替代的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)碳化硅生產(chǎn)制造以及應(yīng)用等各環(huán)節(jié)發(fā)力，務(wù)必實(shí)現(xiàn)自主可控，利用碳化硅的優(yōu)勢(shì)，為“碳中和”乃至“碳凈零”的目標(biāo)奮斗。（新聞來(lái)源于新型陶瓷 ，作者空青）