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      碳化硅(SiC)為何成為現代半導體行業的理想選擇?

      更新時間: 2019-12-20
      閱讀量:442

      碳化硅(SiC)在自然界中非常罕見的化合物,比如莫桑石。雖然SiC在自然界中并不容易找到,但這種化合物在電子領域有很大的應用潛質,成為一種功能強大且可用于建造半導體的理想材料。

      早在1900年代初期,SiC已用于LED等電子部件中的化合物,為何到現在才成為許多現代半導體行業的理想選擇呢?

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      一、從稀有礦物到高性能半導體

      要了解為什么碳化硅在半導體行業中變得越來越流行,我們首先來回顧一下碳化硅作為材料及其物理特性的一些歷史。盡管SiC實際上在自然界中確實非常稀有,但碳化硅的大規模生產首先要歸功于1890年代的美國化學家Edward Goodrich Acheson,當時他嘗試合成鉆石導致了SiC的誕生。幾年后,費迪南德·亨利·莫桑(Ferdinand Henri Moissan)在亞利桑那州的峽谷隕石中發現了它,從而產生了礦物名莫桑石。

      SiC是一種具有非常對稱的原子結構,硬度極硬的材料。它的耐高壓能力使其成為早期避雷器的普遍選擇,而且它還具有低熱膨脹性,高抗熱震性和極高的導熱性,使其成為汽車應用(如制動器)中的理想材料之一。

      二、SiC的潛力

      多年來,SiC被視為具有很高的潛力,可用于半導體設計。但是,與傳統的硅相比,SiC具有更高的制造工藝導致的變形和固有缺陷。制造具有電子設計所需的必要精度的SiC半導體非常困難。由于制造工藝的最新進展,這種情況已經改變,我們現在開始真正實現SiC的巨大潛力。

      碳化硅的幸運之處在于與互補金屬氧化物半導體(CMOS)的制造工藝完全兼容。這意味著現代制造商可以在生產SiC晶片時采用與其他硅晶片相同的工藝。但是,與傳統硅相比,SiC確實需要更高的溫度處理步驟。但是,如果使用正確的烤箱,就可以獲得相對高產量的晶圓。

      三、SiC不斷增長的應用領域

      如今,SiC的獨特特性使其成為許多現代工業領域的寵兒,其中在汽車技術領域中增長非常快。這種增長的主要原因之一是SiC的溫度性能。當今的汽車設計,尤其是在蓬勃發展的電動汽車工業中,需要大量電流。加速車輛需要消耗大量動力,因此會產生大量熱量。SiC具有獨特的能力,不僅能夠承受溫度的快速變化(例如在我國北方停在外面的汽車剛開始啟動那會兒),而且具有令人難以置信的負載承受能力,從而通過散熱減少了功率損耗。

      與傳統的硅相比,SiC的另一個主要優點是它為達到排放和燃料消耗標準做出了貢獻。使燃油效率最大化的最重要因素之一是保持車輛輕量化。與硅半導體器件相比,SiC的電場強度高出近十倍。這允許可比較的組件具有更高的功率密度,并減小了系統尺寸,從而減輕了重量。

      四、蓬勃發展的物聯網

      SiC最近在使用中的另一個領域是射頻(RF)通信領域。隨著物聯網的持續發展,可靠和快速的通信變得越來越重要。物聯網最流行的通信標準之一由于其可靠性、低性價比、易于使用而迅速成為射頻。但是,RF需要大量功耗,尤其是在遠距離傳輸時。這種功率會導致相應的高溫,這也使得SiC成為一種良好的選擇。

      影響SiC半導體使用的另一個領域是工業物聯網,這些工業應用通常發生在高溫非常惡劣的環境中,例如礦山、煉油作業和泵浦設施。使用這些設施可能非常危險和困難,這意味著可靠性和性能(尤其是面對高溫)至關重要。在這種情況下,SiC迅速成為高溫性能和可靠性的黃金標準。

      SiC技術另一種潛力應用之一是將制作成SiC-Si襯底材料。在這種用途中,半導體設計可以利用SiC的許多優點:高溫性能和導熱性,負載耐受性和高頻開關,同時享受傳統硅的大規模可用性和低成本。在許多方面,這是兩全其美的做法。

      隨著電動汽車,物聯網乃至人工智能的迅猛發展,高性能半導體應用的增長,SiC的使用近來有了顯著增長。隨著系統的要求越來越高,電源解決方案要求強大的魯棒性,希望SiC成為電子元件世界中的主流,如果你正在尋找一種提高設計性能的方法,那么讓SiC看起來就是一個很好的起點。

      以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的碳化硅(SiC)成為現代半導體行業的理想選擇的原因。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發,提供8位單片機、16位單片機、32位單片機、運算放大器和模擬開關。

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