【無(wú)線射頻技術(shù)】-碳化硅 (SiC)：歷史與應(yīng)用

1/1碳化硅(SiC)：歷史與應(yīng)用硅與碳的唯一合成物就是碳化硅(SiC)，俗稱金剛砂。SiC在自然界中以礦物碳硅石的形式存在，但非常稀有。不過(guò)，自1893年以來(lái)，粉狀碳化硅已被大量生產(chǎn)用作研磨劑。碳化硅用作研磨劑已有一百多年的歷史，主要用于磨輪和眾多其他研磨應(yīng)用。

利用當(dāng)代技術(shù)，人們已使用SiC開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的工業(yè)級(jí)陶瓷。這些陶瓷呈現(xiàn)出頗具優(yōu)勢(shì)的機(jī)械特性，如：

高硬度

高強(qiáng)度

低密度

高彈性模量

高抗熱震性

優(yōu)越的化學(xué)惰性

高導(dǎo)熱率

低熱膨脹

這些高強(qiáng)度、較長(zhǎng)久耐用的陶瓷廣泛用于各類應(yīng)用，如汽車制動(dòng)器和離合器，以及嵌入防彈背心的陶瓷板。碳化硅也用于在高溫柔/或高壓環(huán)境中工作的半導(dǎo)體電子設(shè)備，如火焰點(diǎn)火器、電阻加熱元件以及惡劣環(huán)境下的電子元器件。

SiC在汽車中的應(yīng)用

碳化硅在汽車中的一個(gè)主要用途就是高性能"陶瓷'制動(dòng)盤。硅與復(fù)合材料中的石墨結(jié)合形成了碳纖維增加碳化硅(C/SiC)。這種制動(dòng)盤用于一些運(yùn)動(dòng)型轎車、超級(jí)跑車以及其它頂級(jí)車型。

SiC在汽車中的另一個(gè)應(yīng)用是用作油品添加劑。作此用途時(shí)，SiC可削減摩擦、輻射以及諧波。

SiC的早期應(yīng)用

LED

電致發(fā)光現(xiàn)象最早于1907年使用碳化硅發(fā)光二極管(LED)發(fā)覺(jué)。很快，第一批商用SiC基LED就生產(chǎn)出來(lái)了。20世紀(jì)70年月，前蘇聯(lián)生產(chǎn)出了黃色SiCLED，20世紀(jì)80年月藍(lán)色LED在世界范圍內(nèi)廣泛生產(chǎn)。后來(lái)推出了氮化鎵(GaN)LED，這種LED發(fā)出的光比SiCLED光明數(shù)十倍乃至上百倍，SiCLED也因此幾乎停產(chǎn)。然而，SiC仍舊是常用于GaN設(shè)備的基底，同時(shí)還用作高功率LED散熱器。

避雷器

達(dá)到閾值電壓(VT)前，SiC都具有較高的電阻。達(dá)到閾值電壓后，其電阻將大幅下降，直至施加的電壓降到VT以下。最早利用該特性的SiC電氣應(yīng)用是配電系統(tǒng)中的避雷器（圖1）。

圖1：SiC避雷器應(yīng)用（圖片由ArresterWorks供應(yīng)）。

由于SiC擁有壓敏電阻，因此SiC芯塊柱可連接在高壓電線和地面之間。如電源線遭雷擊，線路電壓將上升并超過(guò)SiC避雷器的閾值電壓(VT)，從而將雷擊電流導(dǎo)向并傳至地面（而非電力線），因此不會(huì)造成任何損害。但是，這些SiC避雷器在電力線正常工作電壓下過(guò)于導(dǎo)電。因而必需串聯(lián)一個(gè)火花隙。當(dāng)雷擊使電源線導(dǎo)線的電壓上升時(shí)，火花隙將離子化并導(dǎo)電，將SiC避雷器有效地連接在電力線和地面之間。后來(lái)，相關(guān)人員發(fā)覺(jué)避雷器中使用的火花隙并不行靠。由于材料失效、灰塵或鹽侵等緣由，可能消失火花隙在需要時(shí)無(wú)法觸發(fā)電弧，或者電弧在閃電結(jié)束后無(wú)法猝熄的狀況。SiC避雷器原來(lái)是用來(lái)消退對(duì)火花隙的依靠的，但由于其不行靠，有間隙的SiC避雷器大多被使用氧化鋅芯塊的無(wú)間隙變阻器所取代。

電力電子中的SiC

使用SiC生產(chǎn)的半導(dǎo)體設(shè)備有多種，包括肖特基二極管（也稱肖特基勢(shì)壘二極管，或SBD）、J型FET（或JFET），以及用于大功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用的MOSFET。SemiSouthLaboratories（已于2023年倒閉）在2023年推出了第一款商用1200VJFET，Cree在2023年生產(chǎn)了第一款商用1200VMOSFET。在此期間，一些公司也開(kāi)頭嘗試將SiC肖特基二極管裸芯片應(yīng)用到電力電子模塊中。事實(shí)上，SiCSBD已廣泛用于IGBT電源模塊和功率因數(shù)校正(PFC)電路。

圖2：SiC元件代表：肖特基二極管、JFET和MOSFET。

SiC的利與弊

SiC基電力電子元件如此吸引人的一個(gè)緣由就是，在既定阻斷電壓條件下，其摻雜密度比硅基設(shè)備幾乎高出百倍。這樣就可以通過(guò)低導(dǎo)通電阻獲得高阻斷電壓。低導(dǎo)通電阻對(duì)高功率應(yīng)用至關(guān)重要，由于導(dǎo)通電阻降低時(shí)發(fā)熱少，從而削減了系統(tǒng)熱負(fù)荷并提高了整體效率。

但生產(chǎn)SiC基電子元器件本身也存在一些難點(diǎn)，消退缺陷成了最重要的問(wèn)題。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致SiC晶體制成的元器件反向阻斷性能較差。除了晶體質(zhì)量問(wèn)題，二氧化硅和SiC的接口問(wèn)題也阻礙了SiC基功率MOSFET和絕緣柵雙極型晶體的進(jìn)展。幸運(yùn)的是，生產(chǎn)中使用滲氮工藝可使造成這些接口問(wèn)題的缺陷大大降低。

SiC研磨片

碳化硅仍舊在很多工業(yè)應(yīng)用中用作研磨劑。其在電子行業(yè)中主要用作拋光膜，用于在拼接前為光導(dǎo)纖維的兩端