日期：2022-10-29 來源：新型陶瓷?，作者空青
碳化硅材料的主要應用
碳化硅主要有先進陶瓷、高級耐火材料、磨料和冶金原料、半導體等五大應用方向。其中，第三代半導體，是碳化硅最具有前景的應用領域。以碳化硅為代表的第三代寬帶半導體材料（包括氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等）廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領域。
碳化硅材料在各領域的應用
碳化硅基復合材料（SiC-CMC）也是碳化硅的重要領域，在航空發動機上，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節片等。
碳化硅也可做優異的催化劑載體，在碳化硅上負載NiS2，可以有效保持NiS2的活性，可用于汽車尾氣的凈化；同時以碳化硅為載體制備的催化劑，因在支鏈烷烴的異構化過程中，有較高的活性和選擇性，可廣泛應用于石油化工領域中。
令IGBT甘拜下風的原因
這里說的碳化硅做半導體材料，其實主要說的采用碳化硅襯底的MOS管。純凈的碳化硅摻入三價硼，由于最外層缺少了一個電子，它就攜帶了一個正電，形成p型半導體，在這里碳化硅就是它的襯底，因為帶正電，所以也稱之為p型襯底，最后再加上其它結構，就構成了一只以碳化硅為襯底的MOS管。而常規的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，就能導通（N型），相反給低電平，MOS管就會截止。
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化為交流電，因為車的電機是交流電機，所以需要逆變。
特斯拉Model 3逆變器
同時需要注意的是，碳化硅MOS在電動車上取代的不是硅基的MOS，普通的MOS和碳化硅就沒有可比性了，它取代的是硅基的IGBT。
IGBT是什么？本質上它就是一個電子開關，它是MOS管和三級管的組合體，雖然IGBT也能承受高壓，但是IGBT的性能已經達到瓶頸，很難在有質的提升，最根本的原因就是它采用硅這種材料很難再有突破了。目前電動汽車驅動逆變器絕大部分是基于傳統硅基IGBT功率模塊的設計，存在開關頻率低、損耗達的缺點，嚴重制約了新能源汽車驅動器功率密度的提高。
禁帶寬度方面，禁帶寬度是什么？禁帶寬帶是衡量半導體性能的重要參數，硅的禁帶寬帶是1.12eV，而碳化硅的禁帶寬帶可高達到3.26eV，兩者相差將近三倍。簡單理解就是，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30萬伏的電壓，也擊穿相同厚度的碳化硅就需要高達220萬伏的高壓，當MOS管斷開時，電壓都施加在了碳化硅襯底上。因此面對同樣的電壓，采用碳化硅的器件就可以做的小很多。
熱導率方面，碳化硅幾乎是硅器件的3倍，也就是說，面對同樣的熱量，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用場景。
工作頻率方面，碳化硅有更快的開關速度，使得開關損耗大大降低。
基于這些優異的性能，使碳化硅的模塊相比IGBT模塊提升了5%的系統效率，對應的續航會增加5%，如果是一輛400千米續航的電車，采用碳化硅將增加20千米的續航，這就是為什么各大車企都在大力布局碳化硅的原因。
碳化硅半導體不可替代的優勢
雖然與硅IGBT功率模塊相比，碳化硅優勢更突出，但是，功率件的封裝技術也成為擺在大家面前的一個瓶頸。
“現在我們新能源汽車所用的電可能還有煤電，未來光伏發電就會占更多的比重，甚至全部使用光伏發電。”歐陽明高說，光伏需要新能源汽車來儲能，而新能源汽車也需要完全的可再生資源。在歐陽院士提出的三種主要應用“光伏逆變器+儲能裝置+新能源汽車”中，碳化硅功率器件都是不可或缺的重要半導體器件。
當前，我國正在經歷“碳達峰”階段，并逐步過渡到“碳中和”時代。碳化硅材料在光電、風電、電動汽車、充電樁、特高壓等高功率、中高開關評率的應用中有不可替代的優勢。國內碳化硅生產制造以及應用等各環節發力，務必實現自主可控，利用碳化硅的優勢，為“碳中和”乃至“碳凈零”的目標奮斗。（新聞來源于新型陶瓷 ，作者空青）
保定硼達新材料科技有限公司是國內專業從事硼材料研發和生產制造的創新型企業，歡迎您的訪問。
掃描添加公眾號
