中國粉體網(wǎng)8月16日訊  碳化硅（Sic）又稱碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種�？梢苑Q為金鋼砂或耐火砂。碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，該材料技術(shù)還大量應(yīng)用在制作電熱元件硅碳棒。
　　
　　隨著能源問題的日益凸顯，電源、電動(dòng)汽車、工業(yè)設(shè)備和家用電器等設(shè)備中功率變換器的性能提升變得尤為重要。而電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)。電力電子裝置中電力電子器件雖然只占裝置總價(jià)值的20%~30%左右，但器件的性能對整個(gè)裝置的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能有著重要的影響，因而是電力電子領(lǐng)域中非常重要的研究方向。
　　
　　理想的電力電子器件應(yīng)當(dāng)具有理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降;在開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時(shí)，開、關(guān)時(shí)間短，能承受高的di/dt和dv/dt，具有低的開關(guān)損耗，并具有全控功能。自晶閘管和功率晶體管問世和應(yīng)用以來，硅半導(dǎo)體器件在功率處理能力和開關(guān)頻率方面不斷改善，先后誕生了GTR、GTO、MOSFET和IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，對電力電子系統(tǒng)縮小體積、降低成本起到了極其關(guān)鍵的作用。
　　
　　然而硅電力電子器件經(jīng)過近60年的長足發(fā)展，性能已經(jīng)趨近其理論極限，通過器件原理的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的改善及制造工藝的進(jìn)步已經(jīng)難以大幅度的提升其總體性能，即將成為制約未來電力電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一。如何降低電力電子器件的能耗、提高溫度極限已經(jīng)成為全球性的重要課題。
　　
　　自上世紀(jì)90年代開始，電力電子器件的研究人員就將目光轉(zhuǎn)移到碳化硅、氮化鎵等具有更優(yōu)電氣性能的寬禁帶半導(dǎo)體材料上。碳化硅半導(dǎo)體作為一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其性能指標(biāo)較砷化鎵（GaAs）還要高一個(gè)數(shù)量級。經(jīng)過過去數(shù)十年的發(fā)展，SiC材料的質(zhì)量、尺寸和成本都得到了極大地提升，成為功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域硅材料的一個(gè)可能的替代材料。它具有禁帶寬度高、飽和電子漂移速度高、臨界電場擊穿強(qiáng)度高、介電常數(shù)低和熱導(dǎo)率高等特征。
　　
　　基于碳化硅電力電子器件阻斷電壓高、工作頻率高且耐高溫工作能力強(qiáng)，同時(shí)又具有開關(guān)損耗小和通態(tài)比電阻低的優(yōu)勢。因此，采用碳化硅電力電子器件可以大大降低裝置的功耗、縮小裝置的體積。特別是在高頻、高溫和大功率電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅電力電子器件優(yōu)異的電氣性能使其具有硅半導(dǎo)體器件難以比擬的巨大應(yīng)用優(yōu)勢和潛力。
　　
　　碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍（寬禁帶）,達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個(gè)數(shù)量級。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個(gè)數(shù)量級。由此,碳化硅器件的單位面積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。這有助于減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射能力。
　　
　　近年利用碳化硅材料制作的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等功率器件，已可采用少子注入等工藝，使其通態(tài)阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發(fā)熱量小，因而碳化硅器件的導(dǎo)熱性能極優(yōu)。還有，碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。
　　
　　碳化硅目前發(fā)展最成熟寬禁帶半導(dǎo)體材料，電力電子方面也很重要，可制作出性能更加優(yōu)異高溫（300℃～500℃）、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。SIC高功率、高壓器件對于公電輸運(yùn)電動(dòng)汽車等設(shè)備節(jié)能具有重要意義。采用SIC新器件將今后5～10年內(nèi)出現(xiàn)，并將對半導(dǎo)體材料產(chǎn)生革命性影響。
　　
　　SIC可以用來制造射頻微波功率器件、高頻整流器、MESFET、MOSFETJFET等。SIC高頻功率器件已Motorola公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波射頻裝置；美國通用電氣公司正開發(fā)碳化硅功率器件高溫器件；西屋公司已經(jīng)制造出了26GHz頻率下工作甚高頻MESFET;ABB公司正研制用于工業(yè)電力系統(tǒng)高壓、大功率SIC整流器其他SIC低頻功率器件。
　　
　　理論分析表明，SIC功率器件非常接近理想功率器件。我們可以預(yù)見，各種SIC器件研發(fā)必將成為功率器件研究領(lǐng)域主要潮流之一。但我們也要清醒看到，SIC材料功率器件機(jī)理、理論制造工藝均有大量問題需要去解決，它要真正給電力電子技術(shù)領(lǐng)域帶來新革命，估計(jì)還需要時(shí)間等待。