一、碳化硅场效应管

碳化硅(gui)（SiC）是(shi)用石(shi)(shi)(shi)英砂、石(shi)(shi)(shi)油焦（或煤焦）、木屑(xie)为原(yuan)料通(tong)过电(dian)阻炉高(gao)温冶炼而成(cheng)。碳化硅(gui)在(zai)(zai)大自然也存在(zai)(zai)罕(han)见的(de)矿物，莫桑石(shi)(shi)(shi)。 碳化硅(gui)又称碳硅(gui)石(shi)(shi)(shi)。在(zai)(zai)当代(dai)C、N、B等非氧化物高(gao)技术耐火原(yuan)料中，碳化硅(gui)为应用最广泛、最经济的(de)一种。可以称为金钢(gang)砂或耐火砂。

碳化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)由(you)于化(hua)(hua)学性能稳定、导热系(xi)数(shu)高(gao)(gao)(gao)(gao)、热膨(peng)胀系(xi)数(shu)小、耐磨(mo)性能好(hao)，除(chu)作磨(mo)料用外(wai)，还(hai)有很多(duo)其他(ta)用途，例如(ru)：以(yi)特殊(shu)工艺把碳化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)粉末涂布于水轮(lun)机叶轮(lun)或汽缸体(ti)的(de)内壁，可提高(gao)(gao)(gao)(gao)其耐磨(mo)性而延长使用寿命1～2倍；用以(yi)制成的(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)级(ji)耐火材(cai)料，耐热震、体(ti)积小、重量轻而强(qiang)度(du)(du)高(gao)(gao)(gao)(gao)，节能效果(guo)好(hao)。低品级(ji)碳化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)（含(han)SiC约(yue)85%）是极好(hao)的(de)脱氧剂，用它可加快炼钢速度(du)(du)，并便于控制化(hua)(hua)学成分，提高(gao)(gao)(gao)(gao)钢的(de)质量。此外(wai)，碳化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)还(hai)大量用于制作电热元件(jian)硅(gui)(gui)(gui)碳棒。

碳化硅(gui)的(de)硬(ying)(ying)度很大,莫氏(shi)硬(ying)(ying)度为9.5级(ji)，仅次于世界上最硬(ying)(ying)的(de)金刚石(shi)（10级(ji)），具有(you)优良的(de)导热性能(neng)，是一种半(ban)导体，高温时能(neng)抗氧化。

碳化硅历程表

1905年 第一次(ci)在陨石中(zhong)发现碳化(hua)硅

1907年 第一只碳化硅晶(jing)体发光二极管诞(dan)生

1955年 理论和技术上(shang)重(zhong)大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从(cong)此将SiC作为重(zhong)要的电子材料

1958年 在波(bo)士顿(dun)召开第(di)一次世界碳化硅会议进行学术交流

1978年 六、七十(shi)年代碳化硅(gui)主要(yao)由(you)前苏联进行研究。到1978年首次采用“LELY改(gai)进技术(shu)”的(de)晶粒提(ti)纯(chun)生(sheng)长方法

1987年～至今以CREE的(de)研究(jiu)成果(guo)建(jian)立碳化(hua)(hua)硅生产线，供应商开始提供商品化(hua)(hua)的(de)碳化(hua)(hua)硅基。

2001年(nian)德国(guo)Infineon公司推出SiC二极(ji)管(guan)产(chan)品，美国(guo)Cree和(he)意法半导体等(deng)厂商(shang)也紧随(sui)其后推出了SiC二极(ji)管(guan)产(chan)品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等(deng)投(tou)产(chan)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在一般情况下(xia)只(zhi)能工作在20kHz以下(xia)的(de)(de)(de)频率。由于(yu)受到(dao)材料的(de)(de)(de)限制，高(gao)压高(gao)频的(de)(de)(de)硅(gui)器件(jian)无(wu)法(fa)实(shi)现。碳化(hua)硅(gui)MOSFET不仅适(shi)合于(yu)从600V到(dao)10kV的(de)(de)(de)广泛电压范围，同时具备单(dan)极型(xing)器件(jian)的(de)(de)(de)卓越开关(guan)性能。相比于(yu)硅(gui)IGBT，碳化(hua)硅(gui)MOSFET在开关(guan)电路中不存在电流拖尾(wei)的(de)(de)(de)情况具有(you)更(geng)(geng)低(di)的(de)(de)(de)开关(guan)损耗和(he)更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)(de)工作频率。

20kHz的碳化硅MOSFET模块(kuai)的损(sun)耗可以比3kHz的硅IGBT模块(kuai)低一(yi)半， 50A的碳化硅模块(kuai)就可以替换150A的硅模块(kuai)。显示了碳化硅MOSFET在工作频率(lv)和效(xiao)率(lv)上的巨(ju)大优(you)势。

碳化硅MOSFET寄(ji)生体二极管具有极小(xiao)的(de)反向(xiang)(xiang)恢(hui)复(fu)时(shi)(shi)间trr和(he)反向(xiang)(xiang)恢(hui)复(fu)电荷Qrr。如图所示，同(tong)一额定电流900V的(de)器件，碳化硅MOSFET 寄(ji)生二极管反向(xiang)(xiang)电荷只有同(tong)等电压规格(ge)硅基(ji)MOSFET的(de)5%。对于桥(qiao)式电路来说(shuo)（特别当LLC变换器工(gong)作在高(gao)于谐(xie)振(zhen)频率的(de)时(shi)(shi)候），这个指标非常关键，它可以(yi)减小(xiao)死区时(shi)(shi)间以(yi)及体二极管的(de)反向(xiang)(xiang)恢(hui)复(fu)带来的(de)损耗和(he)噪音，便于提高(gao)开(kai)关工(gong)作频率。

碳化硅MOS管的应用

碳(tan)化硅(gui)(gui)MOSFET模(mo)(mo)(mo)块(kuai)在(zai)光伏(fu)、风电(dian)(dian)(dian)(dian)、电(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)(qi)车(che)(che)及(ji)轨道交通等中高(gao)功(gong)率电(dian)(dian)(dian)(dian)力系统(tong)应(ying)用(yong)上具有(you)巨(ju)大的(de)优势。碳(tan)化硅(gui)(gui)器件的(de)高(gao)压(ya)高(gao)频(pin)和(he)(he)高(gao)效率的(de)优势，可以突破现有(you)电(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)(qi)车(che)(che)电(dian)(dian)(dian)(dian)机设计上因器件性(xing)能而受到的(de)限制，这是目前国内外电(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)(qi)车(che)(che)电(dian)(dian)(dian)(dian)机领域研发的(de)重点(dian)。如(ru)电(dian)(dian)(dian)(dian)装和(he)(he)丰田合(he)作开发的(de)混(hun)合(he)电(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)(qi)车(che)(che)（HEV）、纯电(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)(qi)车(che)(che)（EV）内功(gong)率控制单元（PCU），使用(yong)碳(tan)化硅(gui)(gui)MOSFET模(mo)(mo)(mo)块(kuai)，体积比减(jian)小到1/5。三菱开发的(de)EV马达(da)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)(dong)系统(tong)，使用(yong)SiC MOSFET模(mo)(mo)(mo)块(kuai)，功(gong)率驱(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)(dong)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)集成到了电(dian)(dian)(dian)(dian)机内，实现了一体化和(he)(he)小型化目标。预计在(zai)2018年-2020年碳(tan)化硅(gui)(gui)MOSFET模(mo)(mo)(mo)块(kuai)将广泛应(ying)用(yong)在(zai)国内外的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)(dong)(dong)汽(qi)(qi)车(che)(che)上。

碳化硅制品的应用

（一）在冶金工业上的应用

(1)炼铁(tie)(tie)。在(zai)(zai)炼铁(tie)(tie)高炉(lu)(lu)的炉(lu)(lu)缸、炉(lu)(lu)腹、炉(lu)(lu)腰及风(feng)口(kou)(kou)(kou)区使(shi)(shi)用(yong)碳(tan)(tan)化硅(gui)(gui)砖(zhuan)(zhuan)、氮化硅(gui)(gui)结合碳(tan)(tan)化硅(gui)(gui)砖(zhuan)(zhuan)或石墨碳(tan)(tan)化硅(gui)(gui)砖(zhuan)(zhuan)。在(zai)(zai)高炉(lu)(lu)风(feng)口(kou)(kou)(kou)上使(shi)(shi)用(yong)氮化硅(gui)(gui)结合的碳(tan)(tan)化硅(gui)(gui)套砖(zhuan)(zhuan)。在(zai)(zai)鱼雷罐和混铁(tie)(tie)炉(lu)(lu)的炉(lu)(lu)衬(chen)上，以(yi)及铁(tie)(tie)沟料(liao)、出铁(tie)(tie)口(kou)(kou)(kou)用(yong)的炮泥中(zhong)使(shi)(shi)用(yong)含碳(tan)(tan)化硅(gui)(gui)的Al2O3-SiC-C复合砖(zhuan)(zhuan)和不定形(xing)材(cai)料(liao)。

(2)炼钢(gang)。在炼钢(gang)方面，用(yong)碳化硅(gui)制成钢(gang)水测温套管，用(yong)含碳化硅(gui)的(de)不烧砖做盛钢(gang)桶(tong)内衬,在连铸(zhu)用(yong)长水口砖和整体塞棒(bang)上使用(yong)含碳化硅(gui)质的(de)Al2O3-SiC-C砖。

(3)轧钢。在(zai)轧钢加(jia)热(re)炉上用刚(gang)玉碳化(hua)硅滑轨砖(zhuan)、非金属陶(tao)瓷换(huan)热(re)器，在(zai)铁鱗还原炉上用碳化(hua)硅质马弗罩等。

（二）在有色金属工业中的应用

(1)炼铜。在(zai)炼铜方面，在(zai)电解(jie)铜熔(rong)化竖(shu)炉的烧(shao)嘴区等(deng)易(yi)损部位使用(yong)碳化硅砖。

(2)炼(lian)铝。在炼(lian)铝方面，炼(lian)铝反射炉内衬、炉底(di)、液面下侧(ce)墙用碳(tan)化硅(gui)(gui)砖或氮化硅(gui)(gui)、赛隆结合的碳(tan)化硅(gui)(gui)砖。炼(lian)铝的电解(jie)槽、流铝槽、出(chu)铝口、铸铝模都使用碳(tan)化硅(gui)(gui)砖。

(3)炼锌(xin)。在(zai)炼锌(xin)方面，炼锌(xin)竖罐蒸(zheng)馏(liu)炉(lu)、冷凝器及(ji)(ji)转子等(deng)热工设备使用(yong)碳化硅炉(lu)衬(chen)。电(dian)热蒸(zheng)馏(liu)炉(lu)、电(dian)极孔、锌(xin)蒸(zheng)气循环管及(ji)(ji)通道，冷凝器及(ji)(ji)转子等(deng)部(bu)位也使用(yong)碳化硅砖。锌(xin)精馏(liu)炉(lu)的塔盘也使用(yong)碳化硅制品。

(4)炼镁(mei)炉。炼镁(mei)炉的(de)炉衬(chen)、有色(se)金属冶炼用的(de)坩埚，使用碳化(hua)硅质耐火材料。

（三）在建材工业上的应用

(1)在(zai)陶(tao)瓷(ci)方(fang)面，用(yong)于生产日用(yong)陶(tao)瓷(ci)、建(jian)筑陶(tao)瓷(ci)、美(mei)术陶(tao)瓷(ci)、电(dian)子陶(tao)瓷(ci)等的隧道窑(yao)(yao)、梭式(shi)窑(yao)(yao)、罩式(shi)窑(yao)(yao)、倒焰窑(yao)(yao)等各种(zhong)窑(yao)(yao)炉(lu)(lu)的碳(tan)化(hua)硅(gui)(gui)棚板(ban)(ban)、水(shui)平支柱、匣钵(bo)等。在(zai)隔焰窑(yao)(yao)上用(yong)碳(tan)化(hua)硅(gui)(gui)板(ban)(ban)做隔焰板(ban)(ban)、炉(lu)(lu)底等。在(zai)电(dian)炉(lu)(lu)上可做电(dian)炉(lu)(lu)衬套和马弗套。

(2)在(zai)水泥回转窑上，耐磨碳(tan)化硅砖用做卸(xie)料口(kou)炉衬砖。

(3)在(zai)玻璃工业(ye)上，用(yong)碳化(hua)硅(gui)砖砌筑罐式(shi)窑(yao)和(he)槽式(shi)窑(yao)蓄热室(shi)的(de)高温部位，玻璃退火炉(lu)和(he)高压锅炉(lu)，以及(ji)垃圾焚烧(shao)炉(lu)燃烧(shao)室(shi)的(de)内(nei)衬。

（四）在石油化工方面的应用

以硫酸分解食盐(yan)制造(zao)(zao)HCl和Na2S04时用(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)材料制造(zao)(zao)马弗套、制造(zao)(zao)硫酸用(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)雾化(hua)(hua)喷(pen)嘴、溢(yi)流槽。用(yong)氮化(hua)(hua)硅(gui)结(jie)合碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)材料制造(zao)(zao)即(ji)送泵零件、在(zai)催(cui)裂化(hua)(hua)装置(zhi)用(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)做高温蒸气喷(pen)嘴，在(zai)纸浆生(sheng)产中做分离亚硫酸盐(yan)蒸压釜(fu)内衬。用(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)制品做石油化(hua)(hua)工和热电厂各种锅炉(lu)的旋风(feng)除尘器的内衬。

（五）在机械工业上的应用

(1)做磨(mo)料、磨(mo)具。

(2)在(zai)气体渗(shen)碳炉(lu)上做加热辐射管。

(3)用碳化硅制造各种高(gao)温炉管、热电偶管、远红(hong)外反射板。

(4)利用碳化(hua)硅材料的良好导电(dian)性能，可以(yi)制成(cheng)非(fei)金属电(dian)热元件。

商业前景

近几年(nian)来，商(shang)(shang)(shang)业化进(jin)程(cheng)取得(de)了巨大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)进(jin)步。除了创造有利于(yu)供应(ying)商(shang)(shang)(shang)和(he)用户的(de)(de)(de)(de)竞争格(ge)局之外，有多家(jia)(jia) SiC MOSFET 供应(ying)商(shang)(shang)(shang)可以满足对第二供应(ying)商(shang)(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)担忧(you)。如前所(suo)述(shu)，鉴于(yu)器件(jian)的(de)(de)(de)(de)漫长演进(jin)过程(cheng)，多家(jia)(jia) SiC MOSFET 供应(ying)商(shang)(shang)(shang)拥有足够可靠的(de)(de)(de)(de)器件(jian)的(de)(de)(de)(de)事实(shi)是一次巨大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)进(jin)步。经许可转自(zi) Yole Développement 的(de)(de)(de)(de)《2016 功率 SiC》报告的(de)(de)(de)(de)图(tu) 5，显(xian)示出截至 2016 年(nian) 7 月(yue)各供应(ying)商(shang)(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de) SiC MOSFET 活动(dong)。Wolfspeed、ROHM、ST Microelectronics 和(he) Microsemi 均推出了市(shi)售的(de)(de)(de)(de)零(ling)部件(jian)；

多(duo)晶(jing)片功(gong)率模(mo)块也是 SiC 领域客户和(he)(he)(he)供应(ying)商之(zhi)间的(de)一个热门(men)话题。图(tu) 6，同样转自 Yole’sDéveloppement 2016 年的(de)报告，显示了 SiC 模(mo)块开(kai)发活(huo)动(dong)的(de)状态。我们(men)相信，对分离封装的(de) SiC MOSFET 仍(reng)然存在(zai)大量的(de)机会，因为控制和(he)(he)(he)功(gong)率电(dian)路的(de)最佳布局实践(jian)可(ke)以很容(rong)易地将(jiang)分离解决方(fang)案的(de)适用(yong)性(xing)扩展到几十千(qian)瓦。更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率水平(ping)和(he)(he)(he)简(jian)化(hua)系统设计的(de)动(dong)机将(jiang)推动(dong) SiC 模(mo)块的(de)开(kai)发工作，但是从封装、控制电(dian)路和(he)(he)(he)周围的(de)功(gong)率组(zu)件中优(you)化(hua)寄生电(dian)感的(de)重(zhong)要性(xing)不能被(bei)夸大。

当谈(tan)到(dao) SiC MOSFET 商(shang)业前景时最后一点不(bu)可回避的(de)(de)问题(ti)是价(jia)(jia)(jia)格。我们关于价(jia)(jia)(jia)格侵(qin)蚀(shi)的(de)(de)看(kan)法是有利的(de)(de)，主要(yao)是我们的(de)(de)方(fang)法的(de)(de)两(liang)(liang)个方(fang)面(mian)：首先，我们的(de)(de)器件是在一个汽(qi)车级的(de)(de)硅 CMOS 工(gong)厂中(zhong)制造的(de)(de)；其次，这种工(gong)艺采用(yong)(yong)的(de)(de)是 150 毫米晶(jing)圆。可以简单地说，利用(yong)(yong)现有的(de)(de)硅 CMOS 工(gong)厂的(de)(de)核心优势(shi)是缺乏(fa)资(zi)本(ben)支出和优化经(jing)营费(fei)用(yong)(yong)（这两(liang)(liang)者(zhe)都会(hui)被传递到(dao)最终客户）。此外，采用(yong)(yong) 150 毫米晶(jing)圆进行制造产出的(de)(de)器件要(yao)比(bi)(bi) 100 毫米晶(jing)圆多出两(liang)(liang)倍(bei)，这大(da)大(da)影(ying)响了每个模具的(de)(de)成本(ben)。根据在 Digi-Key 公(gong)司进行的(de)(de)一项市售 SiC MOSFET 调查，图 7 中(zhong)给出了一些关于价(jia)(jia)(jia)格的(de)(de)预示(shi)。例(li)如，自从(cong)六(liu)年前在 Digi-Key 公(gong)司的(de)(de)首次公(gong)告，TO-247 封装的(de)(de) 1200V、80 mΩ器件的(de)(de)价(jia)(jia)(jia)格下降了超过百分之八十，即使(shi)(shi) SiC MOSFET 仍然比(bi)(bi)类似(si)的(de)(de)硅 IGBT 贵两(liang)(liang)到(dao)三倍(bei)。在今天的(de)(de)价(jia)(jia)(jia)格水平上，相比(bi)(bi)较硅 IGBT，设计人员(yuan)已(yi)经(jing)看(kan)到(dao)了使(shi)(shi)用(yong)(yong) SiC MOSFET 所带来的(de)(de)巨大(da)的(de)(de)系统层(ceng)面(mian)的(de)(de)价(jia)(jia)(jia)格效益(yi)，而且(qie)我们预计，随(sui)着 150 毫米晶(jing)圆的(de)(de)规模经(jing)济形成，SiC MOSFET 的(de)(de)价(jia)(jia)(jia)格将会(hui)继续下降。

图(tu) 1：不同供应商的 SiC MOSFET 开(kai)发活动的状况

图 2：SiC 功率模(mo)块开发活动的状况【13，经许可转(zhuan)载(zai)】。蓝色圆圈(quan)表(biao)示(shi)只有(you) SiC 器件的模(mo)块，而橙色圆圈(quan)表(biao)示(shi)使(shi)用(yong)硅(gui)晶(jing)体管(guan)和 SiC 二极(ji)管(guan)的模(mo)块。

图(tu) 3：在 Digi-Key 公司(si)【www.digikey.com】看到的关于市(shi)售 SiC MOSFET 的价(jia)格调查。

结论

上个世纪 80 年(nian)代(dai)，硅(gui)IGBT 对(dui)电(dian)(dian)力电(dian)(dian)子行(xing)业(ye)(ye)产(chan)生了(le)巨大的(de)(de)(de)(de)(de)积极影响，从那时起，它一直是(shi)这个行(xing)业(ye)(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)力。下一项革命性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)术将是(shi) SiC MOSFET。SiC MOSFET 今天的(de)(de)(de)(de)(de)发(fa)展(zhan)状况指出了(le)主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)商(shang)(shang)业(ye)(ye)障碍（包括价格、可(ke)靠性(xing)、耐用性(xing)和(he)供应商(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)多样化）的(de)(de)(de)(de)(de)解决方案(an)。尽(jin)管价格溢价超过硅(gui) IGBT，但由于成本抵(di)消的(de)(de)(de)(de)(de)系统层面(mian)效(xiao)益，SiC MOSFET 已经(jing)取得了(le)成功；随着材料成本的(de)(de)(de)(de)(de)下降，这种技(ji)术的(de)(de)(de)(de)(de)市场(chang)份额在未来几年(nian)将大幅增加。经(jing)过 40 多年(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)开发(fa)工作，SiCMOSFET 终于似乎(hu)做好了(le)广泛的(de)(de)(de)(de)(de)商(shang)(shang)业(ye)(ye)成功的(de)(de)(de)(de)(de)准备，并在绿色能源运动中发(fa)挥出重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)角(jiao)色。

联系方式：邹先生

联系电话(hua)：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳(zhen)市福田区车公庙(miao)天安数码城(cheng)天吉大(da)厦CD座(zuo)5C1

请搜(sou)微信公众(zhong)号:“KIA半导体”或扫(sao)一扫(sao)下图(tu)“关(guan)注”官方微信公众(zhong)号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助