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碳化硅(SiC)为何成为现代半导体行业的理想选择?

更新时间: 2019-12-20
阅读量:895

碳化硅(SiC)在自然界中非常罕见的化合物,比如莫桑石。虽然SiC在自然界中并不容易找到,但这种化合物在电子领域有很大的应用潜质,成为一种功能强大且可用于建造半导体的理想材料。

早在1900年代初期,SiC已用于LED等电子部件中的化合物,为何到现在才成为许多现代半导体行业的理想选择呢?

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一、从稀有矿物到高性能半导体

要了解为什么碳化硅在半导体行业中变得越来越流行,我们首先来回顾一下碳化硅作为材料及其物理特性的一些历史。尽管SiC实际上在自然界中确实非常稀有,但碳化硅的大规模生产首先要归功于1890年代的美国化学家Edward Goodrich Acheson,当时他尝试合成钻石导致了SiC的诞生。几年后,费迪南德·亨利·莫桑(Ferdinand Henri Moissan)在亚利桑那州的峡谷陨石中发现了它,从而产生了矿物名莫桑石。

SiC是一种具有非常对称的原子结构,硬度极硬的材料。它的耐高压能力使其成为早期避雷器的普遍选择,而且它还具有低热膨胀性,高抗热震性和极高的导热性,使其成为汽车应用(如制动器)中的理想材料之一。

二、SiC的潜力

多年来,SiC被视为具有很高的潜力,可用于半导体设计。但是,与传统的硅相比,SiC具有更高的制造工艺导致的变形和固有缺陷。制造具有电子设计所需的必要精度的SiC半导体非常困难。由于制造工艺的最新进展,这种情况已经改变,我们现在开始真正实现SiC的巨大潜力。

碳化硅的幸运之处在于与互补金属氧化物半导体(CMOS)的制造工艺完全兼容。这意味着现代制造商可以在生产SiC晶片时采用与其他硅晶片相同的工艺。但是,与传统硅相比,SiC确实需要更高的温度处理步骤。但是,如果使用正确的烤箱,就可以获得相对高产量的晶圆。

三、SiC不断增长的应用领域

如今,SiC的独特特性使其成为许多现代工业领域的宠儿,其中在汽车技术领域中增长非常快。这种增长的主要原因之一是SiC的温度性能。当今的汽车设计,尤其是在蓬勃发展的电动汽车工业中,需要大量电流。加速车辆需要消耗大量动力,因此会产生大量热量。SiC具有独特的能力,不仅能够承受温度的快速变化(例如在我国北方停在外面的汽车刚开始启动那会儿),而且具有令人难以置信的负载承受能力,从而通过散热减少了功率损耗。

与传统的硅相比,SiC的另一个主要优点是它为达到排放和燃料消耗标准做出了贡献。使燃油效率最大化的最重要因素之一是保持车辆轻量化。与硅半导体器件相比,SiC的电场强度高出近十倍。这允许可比较的组件具有更高的功率密度,并减小了系统尺寸,从而减轻了重量。

四、蓬勃发展的物联网

SiC最近在使用中的另一个领域是射频(RF)通信领域。随着物联网的持续发展,可靠和快速的通信变得越来越重要。物联网最流行的通信标准之一由于其可靠性、低性价比、易于使用而迅速成为射频。但是,RF需要大量功耗,尤其是在远距离传输时。这种功率会导致相应的高温,这也使得SiC成为一种良好的选择。

影响SiC半导体使用的另一个领域是工业物联网,这些工业应用通常发生在高温非常恶劣的环境中,例如矿山、炼油作业和泵浦设施。使用这些设施可能非常危险和困难,这意味着可靠性和性能(尤其是面对高温)至关重要。在这种情况下,SiC迅速成为高温性能和可靠性的黄金标准。

SiC技术另一种潜力应用之一是将制作成SiC-Si衬底材料。在这种用途中,半导体设计可以利用SiC的许多优点:高温性能和导热性,负载耐受性和高频开关,同时享受传统硅的大规模可用性和低成本。在许多方面,这是两全其美的做法。

随着电动汽车,物联网乃至人工智能的迅猛发展,高性能半导体应用的增长,SiC的使用近来有了显着增长。随着系统的要求越来越高,电源解决方案要求强大的鲁棒性,希望SiC成为电子元件世界中的主流,如果你正在寻找一种提高设计性能的方法,那么让SiC看起来就是一个很好的起点。

以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的碳化硅(SiC)成为现代半导体行业的理想选择的原因。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发,提供8位单片机、16位单片机、32位单片机、运算放大器和模拟开关。