隨著對電動汽車（EV）需求的持續增長，制造商正在比較兩種半導體技術，即碳化硅和硅，用于電力電子應用。碳化硅（SiC）具有耐高溫、低功耗、剛性，并支持EV電力電子設備所需的更小、更薄的設計。SiC當前應用的示例包括車載DC/DC轉換器、非車載直流快速充電器、車載電池充電器、電動汽車動力總成和LED汽車照明。

隨著電池和電機制造商達到現有技術的物理極限，需要開發更高效的傳動系統，SiC技術也可能推動未來的電動汽車創新。在接受半導體工程采訪時，Cree CTO John Palmour將碳化硅與硅進行了比較，這是電動汽車行業，尤其是工程師可以欣賞的。“你可以用碳化硅制造出你真正想要的硅器件，但由于硅的物理特性，在那個電壓范圍內并不實用。”

帶隙的重要性！

碳化硅在電動汽車應用和其他電力電子中的有用性很大程度上是其寬帶隙的函數，該寬帶隙以電子伏特（EV）為單位測量，描述了將電子從材料的價帶激發到導帶所需的能量。硅（Si）是一種半導體，長期以來一直是集成電路（IC）和光伏器件所用晶片的首選材料，其帶隙為1.12eV。砷化鎵（GaAs）是一種用于太陽能電池的半導體，其帶隙為1.42eV。相比之下，碳化硅的帶隙明顯更寬，為3.26eV。

由于這種更寬的帶隙，碳化硅更適合于更高功率的應用以及與之相關的更高溫度。帶隙與擊穿電壓有關，擊穿電壓是絕緣體的一部分導電的點。硅的擊穿電壓約為600V，但基于SiC的器件可以承受高達10倍的電壓。由于帶隙隨著溫度的升高而收縮，較寬的帶隙材料也能承受更高的溫度。碳化硅的剛性還提供了一種不會因熱而膨脹或收縮的穩定結構。

更寬的碳化硅帶隙還支持更快、更高效的開關和更小、更薄的器件。因為碳化硅的電壓差或電勢差不需要跨越太多的材料，所以SiC器件的厚度可以小于Si器件厚度的十分之一。這些更快、更薄的解決方案具有更小的阻力，因此熱量損失更少，效率更高。此外，碳化硅的更高導熱率允許更有效地傳輸熱量，并可以減少或消除對散熱器的需求。

用于電動汽車電力電子的碳化硅器件：優勢與挑戰

據IEEE Spectrum報道，Cree估計，去年全球碳化硅器件市場首次突破1億美元。如今，該公司的SiC解決方案正在為日益增長的電動汽車市場中的各種高壓、高溫組件提供支持。由于電動汽車的不同系統由不同的電壓供電，一些硅器件還需要將正確的電壓轉換并分配給車窗升降、照明、推進和HVAC。與Si器件相比，SiC技術以更高的速度、可靠性和效率支持這些功能。

碳化硅優越的開關速度也支持更快充電器的發展。非車載充電器將輸入的交流電轉換為直流電，用于電池存儲。車載電池充電器將電池的直流電轉換為主驅動電機的交流電。碳化硅比硅執行這些功能更快，熱量和能量損失更少。此外，碳化硅組件的尺寸可以是硅器件的一半（或更小）。隨著SiC制造商繼續減少材料中的缺陷，SiC器件的價格預計將下降——這是未來電動汽車應用的優勢。

碳化硅的電動汽車前景光明，但對電動汽車的需求增加可能導致部件缺陷，除非制造商安裝適當的檢測設備。這在研發（R&D）過程中尤為重要，在研發過程中，工藝工具的驗證不力會顯著降低產量。MTI Instruments的Proforma 300iSA系統可進行大規模晶片檢查，并提高SiC材料的產量。在體積上發現缺陷可能很困難，但MTI基于電容的技術比共焦系統提供了重要的優勢。

基于電容的技術與共聚焦系統

例如，高分辨率共焦干涉儀的成本明顯高于電容計。激光干涉儀還提供相對讀數，要求操作員在使用前將儀器校準到已知厚度。相比之下，基于電容的技術提供了絕對測量。此外，如果激光干涉儀失去了對晶片表面的跟蹤，那么測量結果就不準確。使用共焦系統，測量透明或半透明半導體晶片也更具挑戰性。

基于電容的系統也提供了其他優點。隨著時間的推移，共焦系統中的激光傳感器有隨著溫度、熱加熱和其他因素而漂移的趨勢。相比之下，電容電路往往更穩定，并將低漂移與高精度相結合。基于電容的技術，如MTI的形式技術，也可以擴展整個半導體供應鏈的質量控制應用。銷售SiC晶圓的供應商可以在發貨前進行高分辨率測量，然后在收到SiC晶片后進行測量。

審核編輯：湯梓紅

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