日期：2022-10-29 來源：新型陶瓷?，作者空青
碳化硅材料的主要應用
碳化硅主要有先進陶瓷、高級耐火材料、磨料和冶金原料、半導體等五大應用方向。其中，第三代半導體，是碳化硅最具有前景的應用領域。以碳化硅為代表的第三代寬帶半導體材料（包括氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等）廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領域。
碳化硅材料在各領域的應用
碳化硅基復合材料（SiC-CMC）也是碳化硅的重要領域，在航空發(fā)動機上，SiC-CMC材料主要用于熱端部件，如噴管、燃燒室火焰筒。低壓渦輪靜子葉片和噴管調節(jié)片等。
碳化硅也可做優(yōu)異的催化劑載體，在碳化硅上負載NiS2，可以有效保持NiS2的活性，可用于汽車尾氣的凈化；同時以碳化硅為載體制備的催化劑，因在支鏈烷烴的異構化過程中，有較高的活性和選擇性，可廣泛應用于石油化工領域中。
令IGBT甘拜下風的原因
這里說的碳化硅做半導體材料，其實主要說的采用碳化硅襯底的MOS管。純凈的碳化硅摻入三價硼，由于最外層缺少了一個電子，它就攜帶了一個正電，形成p型半導體，在這里碳化硅就是它的襯底，因為帶正電，所以也稱之為p型襯底，最后再加上其它結構，就構成了一只以碳化硅為襯底的MOS管。而常規(guī)的MOS管都是以硅為襯底的，襯底雖然不一樣，但使用方法是一樣的，都是給高電平，就能導通（N型），相反給低電平，MOS管就會截止。
碳化硅的MOS管
都是MOS管，但是碳化硅的MOS功率性能跟更強大，比如特斯拉的Model3搭載了碳化硅MOS，使它的逆變器從Model S的82%提升至Model3de 90%。所謂逆變就是將電池的直流電轉化為交流電，因為車的電機是交流電機，所以需要逆變。
特斯拉Model 3逆變器
同時需要注意的是，碳化硅MOS在電動車上取代的不是硅基的MOS，普通的MOS和碳化硅就沒有可比性了，它取代的是硅基的IGBT。
IGBT是什么？本質上它就是一個電子開關，它是MOS管和三級管的組合體，雖然IGBT也能承受高壓，但是IGBT的性能已經達到瓶頸，很難在有質的提升，最根本的原因就是它采用硅這種材料很難再有突破了。目前電動汽車驅動逆變器絕大部分是基于傳統(tǒng)硅基IGBT功率模塊的設計，存在開關頻率低、損耗達的缺點，嚴重制約了新能源汽車驅動器功率密度的提高。
禁帶寬度方面，禁帶寬度是什么？禁帶寬帶是衡量半導體性能的重要參數(shù)，硅的禁帶寬帶是1.12eV，而碳化硅的禁帶寬帶可高達到3.26eV，兩者相差將近三倍。簡單理解就是，比如在純凈的硅晶體中，要使它最外層電子擺脫原子核的束縛，至少需要1.12eV的能量，而碳化硅就需要3.26eV的能量，才能使它的最外層電子擺脫原子核束縛。所以，不難看出碳化硅的耐壓性要更高，擊穿1cm的硅需要30萬伏的電壓，也擊穿相同厚度的碳化硅就需要高達220萬伏的高壓，當MOS管斷開時，電壓都施加在了碳化硅襯底上。因此面對同樣的電壓，采用碳化硅的器件就可以做的小很多。
熱導率方面，碳化硅幾乎是硅器件的3倍，也就是說，面對同樣的熱量，碳化硅器件可以更快的散熱，這樣更有利于將器件做小。
工作溫度方面，理論上說碳化硅器件可以工作在200℃以上的溫度，而硅器件的最高溫度只有150℃，這就大大豐富了碳化硅的應用場景。
工作頻率方面，碳化硅有更快的開關速度，使得開關損耗大大降低。
基于這些優(yōu)異的性能，使碳化硅的模塊相比IGBT模塊提升了5%的系統(tǒng)效率，對應的續(xù)航會增加5%，如果是一輛400千米續(xù)航的電車，采用碳化硅將增加20千米的續(xù)航，這就是為什么各大車企都在大力布局碳化硅的原因。
碳化硅半導體不可替代的優(yōu)勢
雖然與硅IGBT功率模塊相比，碳化硅優(yōu)勢更突出，但是，功率件的封裝技術也成為擺在大家面前的一個瓶頸。
“現(xiàn)在我們新能源汽車所用的電可能還有煤電，未來光伏發(fā)電就會占更多的比重，甚至全部使用光伏發(fā)電。”歐陽明高說，光伏需要新能源汽車來儲能，而新能源汽車也需要完全的可再生資源。在歐陽院士提出的三種主要應用“光伏逆變器+儲能裝置+新能源汽車”中，碳化硅功率器件都是不可或缺的重要半導體器件。
當前，我國正在經歷“碳達峰”階段，并逐步過渡到“碳中和”時代。碳化硅材料在光電、風電、電動汽車、充電樁、特高壓等高功率、中高開關評率的應用中有不可替代的優(yōu)勢。國內碳化硅生產制造以及應用等各環(huán)節(jié)發(fā)力，務必實現(xiàn)自主可控，利用碳化硅的優(yōu)勢，為“碳中和”乃至“碳凈零”的目標奮斗。（新聞來源于新型陶瓷 ，作者空青）
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