在去年歐洲慕尼黑電子展上，意法半導體ST的產品推廣工程師Michael Lütt 進行了一場題為碳化硅（SiC）助力實現零排放行駛的演講，給大家介紹了ST目前在汽車級碳化硅二極管和MOSFET（場效應晶體管）應用方面領先成果；以及該寬禁帶（WBG）半導體正在如何改變我們的車輛，從而向采用零排放汽車的重要時刻更邁進一步。

事實上，我們在碳化硅器件研發方面的投入使我們能夠為工業和汽車應用提供業界領先的碳化硅MOSFET和碳化硅二極管。它們以高壓設計為應用目標，因為它們具有650V或1200 V額定電壓（根據部件編號而定），可以耐受當今市面上最高的200oC結溫。然而，這些震撼市場的元件的實現過程遠非如此簡單。

不止應用于汽車、碳化硅革命及其對硅器件的影響

自19世紀90年代初期粉末狀合成材料開始大規模生產以來，碳化硅器件已經不是什么新鮮事了；而20世紀初的第一批收音機中便應用了這種材料。第一批LED也使用了碳化硅晶體，在陰極處發出黃色輝光。然而，在此之前，這種材料很難集成到復雜的電子系統中，因為基片制造難度很高，從而使得碳化硅二極管和MOSFET的價格過于昂貴。當新的制造方法使碳化硅器件的大規模生產成為可能時，這些限制因素都不復存在。目前，碳化硅器件正在改變許多依賴于高壓系統的行業，例如井下石油鉆機的功率變換器、數據中心的電源、太陽能逆變器等等。

碳化硅器件可以延長電動汽車的電池壽命，但沒有多少人明白這并不意味著傳統硅元件的消亡。事實上，盡管業界非常需要碳化硅二極管和MOSFET來推動電動汽車更加普及，制造商仍然在汽車的所有數字系統以及低電壓應用中廣泛使用傳統硅芯片。每種材料都具有內在性質，在特定的用例中提供極高的價值和性能。為了掌握碳化硅在未來將扮演的角色，我們必須深入研究其原子結構，看看它能在什么樣的設計中發揮最大作用。

多型體，作為革命起源的碳化硅晶格

根據其最基本的表達式，碳化硅是由硅(Si)和碳(C)原子組成的化合物，這些原子排列成三維立方、六邊形或矩形晶格的形狀。這種原子結構表明，碳化硅在電子器件中很難普及應用的原因在于它的晶形大大增加了行業生產碳化硅晶片和在其上構建器件時的復雜度。此外，碳化硅是多晶形的，意味著晶格可以有多種形式。碳化硅實際上是最具多態性的半導體之一，因為我們目前就知道其有250多種多型體，每種都有特定的電氣特性。

例如，3C-SiC多型體由三個雙原子層密排成立方晶格（3C）結構。其形狀對稱性較高，電子散射較少，這使其成為室溫下低場電子遷移率最高（1000cm2/Vs1）的碳化硅結構。另一方面，6H-SiC（六個雙原子層密排成六邊形晶格）的電氣性質可能不那么有趣（電子遷移率為380cm2/Vs），但其對稱性較低，制造起來容易得多。4H-SiC通常介于3C-SiC和6H-SiC之間，因為它在電氣性質（其電子遷移率達到947cm2/Vs）和易制性之間實現了一定的平衡。

碳化硅的寬禁帶推動革命發展

在所有情況下，硅和碳原子在晶格中的排列使得碳化硅成為寬禁帶（WBG）半導體，因為電子能夠穿過碳化硅晶格。最基本的情況是，原子包含一個原子核和電子：1個硅原子有14個電子，1個碳原子有6個電子。根據能帶理論，電子有兩個能量狀態，我們通常用兩個能帶來表示。高能電子是導帶的一部分，低能電子位于價帶中。導帶和價帶之間存在帶隙，我們用電子伏特或eV來表示。帶隙的另一個名稱是禁帶，因為電子不能存在于帶隙中，也就是說電子要么在導帶中，要么在價帶中。

在導體中，由于導帶和價帶重疊，所以不存在帶隙。因此，當我們對導體施加電流時，電子將從價帶流向導帶，從而使電流以最小阻力通過。與此相反，絕緣體的禁帶大于9ev，這意味著電子在室溫下不會從價帶跳到導帶，從而阻止電流通過。

最后，半導體也有一個帶隙，這意味著理論上在0K溫度下沒有導電性，但是禁帶足夠小，電子在室溫下仍然可以從價帶移動到導帶（只要有足夠的能量將它們推到導帶）。硅半導體的帶隙在1ev和1.5eV之間，而碳化硅的帶隙在2.3 eV和3.3 eV之間波動（取決于多型體），寬帶隙半導體因此而得名。

更低的工作溫度，寬禁帶半導體的優良特性

正如領導研究人員團隊的Vittorio Giuffrida和Luigi Abbatelli解釋：

“帶隙增加一倍或兩倍（與硅相比）意味著碳化硅器件可以耐受更高的電壓和電場，因為電子需要三倍以上的能量才能到達導帶。因此，碳化硅元件的擊穿電壓要高得多，而導通電阻要低得多。”

擊穿電壓是使絕緣體變成電導體的最小電壓。根據我們的研究，如果硅器件的擊穿電壓為1V，類似的6H-SiC型號需要的擊穿電壓為56V，而4H-SiC器件需要的擊穿電壓為46V。在開發高壓應用（如依賴于電動車輛電池的應用）時，硅器件的低擊穿電壓并不合適。此外，碳化硅在1200V時的電阻很低（要達到類似的性能，硅片的尺寸需要20倍大），這意味著碳化硅大大降低了高電壓下的開關損耗，從而大大降低了功率損耗。

因此，碳化硅不僅在相同高壓條件下產生的溫度較低，而且我們的碳化硅器件可以耐受200oC的結溫，而類似的硅元件只能耐受150oC左右的結溫。此外，我們的數據顯示，在開關頻率為25kHz時，5 kW升壓變換器中碳化硅MOSFET的總功率損耗為11.1W，而硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的總功率損耗為25.6W；當開關頻率在25 kHz以上時，差距迅速擴大。

牽引逆變器，寬禁帶半導體的變革性應用

在高壓設計中使用寬禁帶半導體意味著工程師現在可以提供更快的開關性能和更高的功率效率，即可以制造尺寸更小、更容易冷卻的模塊。同樣值得注意的是，在處理較低電壓時，傳統的硅器件仍然具備出色的性能，它們的普遍應用意味著其將繼續在我們車輛的12V和48V系統中發揮重要作用。然而，當電壓達到400V、800 V或1200V時，碳化硅的固有性質為新的可能性打開了大門。因此，為了全面合理地看待碳化硅的優點，Michael在演講中重點剖析一個流行的用例：牽引逆變器。

在電動汽車中，牽引逆變器從電池中獲取高壓（通常在400V到800V之間），并為驅動汽車的電機產生三個交流相位。其核心技術極大地受益于碳化硅器件，Michael對此詳細解釋道：

“碳化硅能夠減小牽引逆變器的總體尺寸，因為除了MOSFET器件尺寸更小之外，它們還集成了一個非常快速的續流二極管，而尺寸更大的硅IGBT則需要在PCB上安裝一個外部續流二極管。總的來說，碳化硅使牽引逆變器的尺寸減小了70%左右，具有滾雪球效應。事實上，既然功率半導體元件可以將尺寸縮小80%，冷卻系統和無源元件的尺寸也可以減少這么多。”

碳化硅的固有性質使電子器件的性能和效率達到新的水平，確保工程師能夠探索新的應用領域。

超級充電汽車，可以預見的未來碳化硅革命

碳化硅還減小了電動汽車車載充電器和電池管理解決方案的尺寸，使得它們能夠集成到DC-DC變換器和配電裝置中。這種非凡的四合一解決方案已經應用于如今由商用電池驅動的電動汽車，并將推動平價電動汽車的普及應用。因此，碳化硅已在改變整個行業，使零排放汽車更接近普通消費者。因此，我們說我們的碳化硅MOSFET和碳化硅二極管正在改變行業，是因為我們對寬禁帶半導體技術的掌握已經使制造商和駕駛人員真正從這種轉變中受益。