一、碳化硅场效应管

碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)（SiC）是用石(shi)英砂、石(shi)油(you)焦（或煤焦）、木屑为原料通过(guo)电(dian)阻炉高(gao)温冶(ye)炼而成。碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)在(zai)(zai)大自(zi)然(ran)也存(cun)在(zai)(zai)罕见的矿(kuang)物，莫桑石(shi)。 碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)又称(cheng)碳(tan)硅(gui)石(shi)。在(zai)(zai)当代C、N、B等非氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物高(gao)技术(shu)耐火原料中(zhong)，碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)为应用最广泛(fan)、最经济(ji)的一种(zhong)。可以(yi)称(cheng)为金钢砂或耐火砂。

碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)由于(yu)化(hua)(hua)学(xue)性能(neng)稳定(ding)、导热(re)(re)系(xi)数高(gao)(gao)、热(re)(re)膨胀(zhang)系(xi)数小、耐(nai)(nai)(nai)(nai)磨性能(neng)好，除(chu)作磨料用(yong)(yong)外(wai)，还(hai)有很多其他用(yong)(yong)途，例如：以特殊工艺把碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)粉末涂布于(yu)水轮(lun)机叶轮(lun)或汽(qi)缸(gang)体(ti)(ti)的(de)内壁，可提高(gao)(gao)其耐(nai)(nai)(nai)(nai)磨性而延长使(shi)用(yong)(yong)寿(shou)命(ming)1～2倍；用(yong)(yong)以制(zhi)成的(de)高(gao)(gao)级(ji)耐(nai)(nai)(nai)(nai)火材料，耐(nai)(nai)(nai)(nai)热(re)(re)震(zhen)、体(ti)(ti)积小、重量轻而强度高(gao)(gao)，节能(neng)效果好。低品级(ji)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)（含SiC约85%）是极(ji)好的(de)脱氧剂，用(yong)(yong)它(ta)可加快炼(lian)钢速度，并便于(yu)控制(zhi)化(hua)(hua)学(xue)成分，提高(gao)(gao)钢的(de)质量。此(ci)外(wai)，碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)还(hai)大量用(yong)(yong)于(yu)制(zhi)作电热(re)(re)元件硅(gui)碳(tan)棒(bang)。

碳(tan)化硅(gui)的(de)硬(ying)度(du)很(hen)大,莫氏(shi)硬(ying)度(du)为(wei)9.5级，仅次(ci)于世界(jie)上最硬(ying)的(de)金刚石（10级），具有优良的(de)导热性能，是(shi)一种半导体，高温时能抗氧化。

碳化硅历程表

1905年 第一次(ci)在陨石(shi)中发现(xian)碳化硅

1907年 第(di)一只碳化硅晶体(ti)发(fa)光(guang)二极管诞生

1955年 理论和技术上重(zhong)大(da)突破(po)，LELY提出生长高品质碳化概念(nian)，从此(ci)将SiC作为重(zhong)要(yao)的电子材料

1958年(nian) 在(zai)波士顿召开(kai)第一次(ci)世界碳化硅会议(yi)进(jin)行学术(shu)交流(liu)

1978年 六、七十(shi)年代碳化硅(gui)主要由前苏联进(jin)行(xing)研(yan)究。到1978年首次采用(yong)“LELY改进(jin)技术”的晶(jing)粒提纯(chun)生长方法

1987年～至今(jin)以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开(kai)始提供商品化的碳化硅基。

2001年德国(guo)Infineon公(gong)司推出(chu)SiC二极(ji)管(guan)产品，美国(guo)Cree和意法半导体等(deng)厂商也(ye)紧随其后推出(chu)了SiC二极(ji)管(guan)产品。在(zai)日(ri)本，罗(luo)姆、新(xin)日(ri)本无线及瑞萨电子(zi)等(deng)投产了SiC二极(ji)管(guan)。

2013年9月29日，碳化硅半导体国际学会“ICSCRM 2013”召开，24个国家的半导体企业、科研院校等136家单位与会，人数达到794人次，为历年来之最。国际知名的半导体器件厂商，如科锐、KIA利盈娱乐、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。

碳化硅MOS的优势

硅(gui)IGBT在(zai)一般情况下只(zhi)能(neng)工作(zuo)在(zai)20kHz以下的(de)(de)(de)(de)频率。由(you)于受到材料(liao)的(de)(de)(de)(de)限制，高压高频的(de)(de)(de)(de)硅(gui)器件无法实现。碳化硅(gui)MOSFET不(bu)(bu)仅适合于从600V到10kV的(de)(de)(de)(de)广泛电(dian)压范围，同时具备单极型器件的(de)(de)(de)(de)卓(zhuo)越开关(guan)性能(neng)。相(xiang)比于硅(gui)IGBT，碳化硅(gui)MOSFET在(zai)开关(guan)电(dian)路中(zhong)不(bu)(bu)存在(zai)电(dian)流拖尾(wei)的(de)(de)(de)(de)情况具有更低(di)的(de)(de)(de)(de)开关(guan)损耗和更高的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)频率。

20kHz的(de)碳(tan)化硅(gui)(gui)MOSFET模(mo)块(kuai)(kuai)的(de)损(sun)耗可(ke)以比3kHz的(de)硅(gui)(gui)IGBT模(mo)块(kuai)(kuai)低(di)一半， 50A的(de)碳(tan)化硅(gui)(gui)模(mo)块(kuai)(kuai)就可(ke)以替换150A的(de)硅(gui)(gui)模(mo)块(kuai)(kuai)。显示了(le)碳(tan)化硅(gui)(gui)MOSFET在(zai)工(gong)作频(pin)率(lv)和效率(lv)上(shang)的(de)巨大优势。

碳(tan)化硅MOSFET寄生(sheng)体(ti)二(er)极管(guan)具(ju)有(you)极小(xiao)的反(fan)向(xiang)恢(hui)复(fu)时间(jian)(jian)trr和(he)反(fan)向(xiang)恢(hui)复(fu)电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳(tan)化硅MOSFET 寄生(sheng)二(er)极管(guan)反(fan)向(xiang)电荷只(zhi)有(you)同等电压(ya)规(gui)格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来(lai)说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频(pin)(pin)率的时候(hou)），这(zhei)个指标非常关(guan)键，它可以减小(xiao)死区时间(jian)(jian)以及体(ti)二(er)极管(guan)的反(fan)向(xiang)恢(hui)复(fu)带来(lai)的损耗和(he)噪音，便于提高开(kai)关(guan)工作频(pin)(pin)率。

碳化硅MOS管的应用

碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)MOSFET模(mo)块(kuai)在(zai)光伏、风(feng)电(dian)(dian)、电(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)车(che)及轨(gui)道交通等中高功(gong)率电(dian)(dian)力系统(tong)应用(yong)上具有巨大的(de)(de)优势。碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)器件的(de)(de)高压高频(pin)和(he)高效(xiao)率的(de)(de)优势，可以突破现有电(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)车(che)电(dian)(dian)机(ji)(ji)设计上因器件性能而(er)受(shou)到(dao)(dao)的(de)(de)限制(zhi)，这是(shi)目(mu)前国(guo)内(nei)外电(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)车(che)电(dian)(dian)机(ji)(ji)领域研(yan)发(fa)的(de)(de)重点。如电(dian)(dian)装和(he)丰田合(he)作(zuo)开发(fa)的(de)(de)混合(he)电(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)车(che)（HEV）、纯电(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)车(che)（EV）内(nei)功(gong)率控制(zhi)单元(yuan)（PCU），使用(yong)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)MOSFET模(mo)块(kuai)，体积比减小(xiao)到(dao)(dao)1/5。三菱(ling)开发(fa)的(de)(de)EV马(ma)达(da)驱动(dong)(dong)(dong)(dong)系统(tong)，使用(yong)SiC MOSFET模(mo)块(kuai)，功(gong)率驱动(dong)(dong)(dong)(dong)模(mo)块(kuai)集成到(dao)(dao)了电(dian)(dian)机(ji)(ji)内(nei)，实现了一体化(hua)(hua)(hua)和(he)小(xiao)型化(hua)(hua)(hua)目(mu)标(biao)。预计在(zai)2018年(nian)-2020年(nian)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)MOSFET模(mo)块(kuai)将(jiang)广泛应用(yong)在(zai)国(guo)内(nei)外的(de)(de)电(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)车(che)上。

碳化硅制品的应用

（一）在冶金工业上的应用

(1)炼铁。在炼铁高炉(lu)(lu)的炉(lu)(lu)缸、炉(lu)(lu)腹、炉(lu)(lu)腰及风口区使(shi)(shi)用碳(tan)化(hua)(hua)硅砖(zhuan)、氮化(hua)(hua)硅结合碳(tan)化(hua)(hua)硅砖(zhuan)或石墨碳(tan)化(hua)(hua)硅砖(zhuan)。在高炉(lu)(lu)风口上(shang)使(shi)(shi)用氮化(hua)(hua)硅结合的碳(tan)化(hua)(hua)硅套(tao)砖(zhuan)。在鱼雷罐(guan)和混铁炉(lu)(lu)的炉(lu)(lu)衬上(shang)，以(yi)及铁沟料、出铁口用的炮泥中(zhong)使(shi)(shi)用含(han)碳(tan)化(hua)(hua)硅的Al2O3-SiC-C复合砖(zhuan)和不定形材料。

(2)炼(lian)钢。在炼(lian)钢方面，用碳(tan)化(hua)硅(gui)制(zhi)成钢水测温(wen)套(tao)管，用含碳(tan)化(hua)硅(gui)的不烧砖(zhuan)做盛钢桶内(nei)衬,在连铸用长(zhang)水口砖(zhuan)和整体塞棒上使用含碳(tan)化(hua)硅(gui)质的Al2O3-SiC-C砖(zhuan)。

(3)轧钢。在轧钢加热炉上(shang)用(yong)刚玉碳化硅滑(hua)轨砖、非金属陶(tao)瓷换(huan)热器，在铁鱗还原(yuan)炉上(shang)用(yong)碳化硅质马弗罩等。

（二）在有色金属工业中的应用

(1)炼铜。在(zai)(zai)炼铜方面，在(zai)(zai)电解铜熔化(hua)(hua)竖炉的烧嘴区等(deng)易损部位使用碳化(hua)(hua)硅砖。

(2)炼铝(lv)(lv)。在炼铝(lv)(lv)方(fang)面(mian)，炼铝(lv)(lv)反射炉内衬、炉底(di)、液面(mian)下侧(ce)墙用(yong)碳化硅砖(zhuan)或氮化硅、赛隆结合的(de)碳化硅砖(zhuan)。炼铝(lv)(lv)的(de)电(dian)解槽、流铝(lv)(lv)槽、出铝(lv)(lv)口、铸铝(lv)(lv)模都使用(yong)碳化硅砖(zhuan)。

(3)炼(lian)(lian)锌(xin)(xin)。在炼(lian)(lian)锌(xin)(xin)方面，炼(lian)(lian)锌(xin)(xin)竖罐蒸(zheng)馏(liu)炉、冷(leng)凝器(qi)及(ji)(ji)转(zhuan)子等(deng)热(re)工设备使(shi)用(yong)碳化硅炉衬。电(dian)热(re)蒸(zheng)馏(liu)炉、电(dian)极孔(kong)、锌(xin)(xin)蒸(zheng)气循环管(guan)及(ji)(ji)通道，冷(leng)凝器(qi)及(ji)(ji)转(zhuan)子等(deng)部位也使(shi)用(yong)碳化硅砖。锌(xin)(xin)精馏(liu)炉的塔盘也使(shi)用(yong)碳化硅制品。

(4)炼(lian)镁炉(lu)(lu)。炼(lian)镁炉(lu)(lu)的(de)炉(lu)(lu)衬、有色金属冶炼(lian)用(yong)的(de)坩埚(guo)，使用(yong)碳化(hua)硅质耐火材料。

（三）在建材工业上的应用

(1)在陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)方面，用(yong)于生产日用(yong)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、建筑陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、美术(shu)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、电子陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)等(deng)的(de)隧道窑(yao)、梭式(shi)窑(yao)、罩(zhao)式(shi)窑(yao)、倒焰窑(yao)等(deng)各种(zhong)窑(yao)炉的(de)碳(tan)化(hua)硅(gui)棚(peng)板(ban)、水平支柱、匣钵等(deng)。在隔焰窑(yao)上用(yong)碳(tan)化(hua)硅(gui)板(ban)做隔焰板(ban)、炉底等(deng)。在电炉上可(ke)做电炉衬(chen)套(tao)和马弗(fu)套(tao)。

(2)在水(shui)泥回转窑上(shang)，耐磨碳化(hua)硅(gui)砖用做卸料口(kou)炉衬砖。

(3)在玻(bo)璃工业上，用碳化硅砖(zhuan)砌筑罐式窑和(he)槽(cao)式窑蓄热室的(de)高温部(bu)位，玻(bo)璃退火炉(lu)(lu)和(he)高压锅炉(lu)(lu)，以(yi)及垃圾(ji)焚烧(shao)(shao)炉(lu)(lu)燃烧(shao)(shao)室的(de)内衬。

（四）在石油化工方面的应用

以(yi)硫酸分解食盐制造(zao)HCl和(he)Na2S04时用(yong)(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅材(cai)料制造(zao)马弗套、制造(zao)硫酸用(yong)(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅雾化(hua)(hua)喷(pen)嘴、溢流槽。用(yong)(yong)氮化(hua)(hua)硅结(jie)合碳(tan)化(hua)(hua)硅材(cai)料制造(zao)即(ji)送泵零(ling)件、在(zai)(zai)催裂化(hua)(hua)装置(zhi)用(yong)(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅做高(gao)温蒸(zheng)气喷(pen)嘴，在(zai)(zai)纸浆(jiang)生产中(zhong)做分离亚(ya)硫酸盐蒸(zheng)压釜内衬。用(yong)(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅制品(pin)做石油化(hua)(hua)工和(he)热电厂各种锅(guo)炉(lu)的(de)旋风除尘(chen)器的(de)内衬。

（五）在机械工业上的应用

(1)做磨(mo)料、磨(mo)具。

(2)在气体渗碳炉上(shang)做加热辐(fu)射(she)管。

(3)用碳化硅制造各种高温炉管、热电(dian)偶(ou)管、远红外反射板。

(4)利(li)用碳化硅材(cai)料的良(liang)好导(dao)电(dian)性能(neng)，可以制(zhi)成非金属电(dian)热元件。

商业前景

近(jin)几年来，商(shang)业(ye)化进(jin)程(cheng)取得了巨大的(de)(de)(de)进(jin)步。除了创造有(you)利(li)于(yu)供(gong)应商(shang)和用户(hu)的(de)(de)(de)竞争格局之(zhi)外，有(you)多(duo)家 SiC MOSFET 供(gong)应商(shang)可以满足(zu)对第二供(gong)应商(shang)的(de)(de)(de)担忧。如前所述，鉴于(yu)器(qi)件的(de)(de)(de)漫长演(yan)进(jin)过程(cheng)，多(duo)家 SiC MOSFET 供(gong)应商(shang)拥有(you)足(zu)够可靠的(de)(de)(de)器(qi)件的(de)(de)(de)事实是一(yi)次巨大的(de)(de)(de)进(jin)步。经许可转自 Yole Développement 的(de)(de)(de)《2016 功率(lv) SiC》报告(gao)的(de)(de)(de)图 5，显示出截至 2016 年 7 月各供(gong)应商(shang)的(de)(de)(de) SiC MOSFET 活动。Wolfspeed、ROHM、ST Microelectronics 和 Microsemi 均推出了市(shi)售(shou)的(de)(de)(de)零部(bu)件；

多晶片功率模块也是(shi) SiC 领域客户(hu)和供(gong)应商(shang)之间的一个热门话题。图 6，同样转自 Yole’sDéveloppement 2016 年(nian)的报告，显示了(le) SiC 模块开发活动的状态。我们相信，对分(fen)离封装的 SiC MOSFET 仍(reng)然存在大量的机会，因为控制和功率电路的最佳(jia)布局实践(jian)可(ke)以(yi)很容易地(di)将(jiang)分(fen)离解决方案的适(shi)用(yong)性扩(kuo)展到几十千(qian)瓦。更高的功率水平和简化系统设计(ji)的动机将(jiang)推动 SiC 模块的开发工作，但是(shi)从封装、控制电路和周围的功率组件(jian)中优化寄生电感的重要性不(bu)能被夸大。

当(dang)谈到(dao)(dao) SiC MOSFET 商(shang)业前(qian)景时最后一(yi)(yi)点不(bu)可回避的(de)(de)(de)(de)问题是(shi)价格(ge)(ge)(ge)。我(wo)们(men)(men)(men)关(guan)(guan)于(yu)价格(ge)(ge)(ge)侵蚀的(de)(de)(de)(de)看(kan)法(fa)是(shi)有利的(de)(de)(de)(de)，主(zhu)要(yao)是(shi)我(wo)们(men)(men)(men)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)(de)两个(ge)(ge)方(fang)面：首先，我(wo)们(men)(men)(men)的(de)(de)(de)(de)器件(jian)(jian)是(shi)在(zai)(zai)一(yi)(yi)个(ge)(ge)汽车级的(de)(de)(de)(de)硅 CMOS 工(gong)厂中制造(zao)的(de)(de)(de)(de)；其次(ci)，这(zhei)种工(gong)艺采(cai)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)是(shi) 150 毫(hao)米(mi)(mi)晶(jing)(jing)圆(yuan)。可以简(jian)单地(di)说，利用(yong)(yong)现有的(de)(de)(de)(de)硅 CMOS 工(gong)厂的(de)(de)(de)(de)核(he)心优(you)势是(shi)缺乏资本(ben)支出和优(you)化经营(ying)费用(yong)(yong)（这(zhei)两者都会被传(chuan)递(di)到(dao)(dao)最终(zhong)客户）。此外，采(cai)用(yong)(yong) 150 毫(hao)米(mi)(mi)晶(jing)(jing)圆(yuan)进行制造(zao)产出的(de)(de)(de)(de)器件(jian)(jian)要(yao)比 100 毫(hao)米(mi)(mi)晶(jing)(jing)圆(yuan)多出两倍，这(zhei)大(da)大(da)影响了(le)(le)每个(ge)(ge)模具的(de)(de)(de)(de)成本(ben)。根据在(zai)(zai) Digi-Key 公(gong)司进行的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)项市(shi)售 SiC MOSFET 调查(cha)，图 7 中给出了(le)(le)一(yi)(yi)些(xie)关(guan)(guan)于(yu)价格(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)预示。例如，自从六年前(qian)在(zai)(zai) Digi-Key 公(gong)司的(de)(de)(de)(de)首次(ci)公(gong)告，TO-247 封(feng)装的(de)(de)(de)(de) 1200V、80 mΩ器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)价格(ge)(ge)(ge)下降(jiang)了(le)(le)超(chao)过百分之(zhi)八(ba)十，即使 SiC MOSFET 仍然(ran)比类似的(de)(de)(de)(de)硅 IGBT 贵两到(dao)(dao)三倍。在(zai)(zai)今天(tian)的(de)(de)(de)(de)价格(ge)(ge)(ge)水平上，相比较(jiao)硅 IGBT，设计人员已经看(kan)到(dao)(dao)了(le)(le)使用(yong)(yong) SiC MOSFET 所(suo)带来的(de)(de)(de)(de)巨大(da)的(de)(de)(de)(de)系(xi)统层面的(de)(de)(de)(de)价格(ge)(ge)(ge)效益，而且我(wo)们(men)(men)(men)预计，随(sui)着 150 毫(hao)米(mi)(mi)晶(jing)(jing)圆(yuan)的(de)(de)(de)(de)规模经济形(xing)成，SiC MOSFET 的(de)(de)(de)(de)价格(ge)(ge)(ge)将会继(ji)续下降(jiang)。

图 1：不同供应商的 SiC MOSFET 开发(fa)活动的状况(kuang)

图 2：SiC 功率(lv)模块(kuai)(kuai)开(kai)发活动的状况【13，经许可转(zhuan)载】。蓝色(se)圆圈表(biao)示只有 SiC 器件的模块(kuai)(kuai)，而橙色(se)圆圈表(biao)示使用硅晶体管和 SiC 二(er)极管的模块(kuai)(kuai)。

图 3：在 Digi-Key 公司【www.digikey.com】看到的关于市售 SiC MOSFET 的价格(ge)调查(cha)。

结论

上(shang)个世(shi)纪 80 年(nian)代，硅IGBT 对电(dian)力(li)电(dian)子行业(ye)(ye)产(chan)生(sheng)了巨大的(de)(de)积极影响，从那时起，它一直(zhi)是(shi)这个行业(ye)(ye)的(de)(de)主力(li)。下一项革命性的(de)(de)技(ji)术将是(shi) SiC MOSFET。SiC MOSFET 今天的(de)(de)发展(zhan)状况(kuang)指出了主要的(de)(de)商业(ye)(ye)障(zhang)碍（包括价格、可靠性、耐用(yong)性和供(gong)应商的(de)(de)多样(yang)化）的(de)(de)解决方案。尽管价格溢价超过(guo)(guo)硅 IGBT，但(dan)由(you)于成本(ben)抵消的(de)(de)系统层面效(xiao)益，SiC MOSFET 已经取得了成功(gong)；随着材料(liao)成本(ben)的(de)(de)下降，这种技(ji)术的(de)(de)市(shi)场份额在(zai)未来几年(nian)将大幅增加。经过(guo)(guo) 40 多年(nian)的(de)(de)开发工作，SiCMOSFET 终(zhong)于似乎做(zuo)好了广泛的(de)(de)商业(ye)(ye)成功(gong)的(de)(de)准备，并在(zai)绿色(se)能源(yuan)运动中发挥(hui)出重要的(de)(de)角色(se)。

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