眾所周知，硅（Si）材料及其基礎上的技術方向曾經改變了世界。硅材料從沙子中提煉，構筑了遠比沙土城堡更精密復雜的產品。如今，碳化硅（SiC）材料作為一種衍生技術進入了市場——相比硅材料，它可以實現更高功率等級的功率轉換、更快的開關速度、傳熱效率上也優于硅材料。本篇博客探討了SiC材料如何提升產品性能以超越基于硅材料的領域，從而為我們全新的數字世界創造下一代解決方案。硅基MOSFET、碳化硅（SiC）MOSFET、氮化鎵（GaN）HEMT或碳化硅（SiC）FET等功率電子器件是用于眾多市場領域的主要技術構件。長期以來，硅一直是功率電子應用中的首選半導體材料。直到最近，由于SiC技術性能和可靠性的顯著提升，人們開始從硅轉向SiC器件。SiC的性能優勢已在電動車、白色家電、基礎設施、太陽能/可再生能源、數據中心等多個電力電子市場產生深遠的影響。得益于更大的帶隙能量（即3.3eV，而硅為1.1eV——參見圖2）和更高的擊穿電壓，SiC可用于創建更新穎、更高性能的解決方案。如今，制造商采用SiC技術來開發基于各種半導體器件的功率電子模塊，如雙極結型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。在接下來的章節中，我們將探討為何SiC正在成為面向未來的突破性電力電子技術。
首先，SiC MOSFET或SiC FET與硅器件相比具有若干優勢。SiC更高的擊穿電壓意味著可以使用更輕薄的器件來支持更高的電壓。另外，SiC相較于硅的其它優勢還包括：作為一種寬帶隙材料，在高溫條件下漏電流較低；
更高的熱導率，有助于支持高電流密度應用；
更低的能量損耗，有助于最大限度減少功率損耗；
更高的開關頻率，減小了大型外圍被動元器件的尺寸和重量；
較小的裸片尺寸和較低寄生電容帶來更低的開關損耗，使得功率轉換器能夠在更高的開關頻率及速度下運行；
能夠在更高的環境溫度下正常工作，有助于減小散熱器的尺寸。
由此，我們現在可以看到SiC器件相對于硅基器件的諸多優勢；這也成為許多應用從硅轉向SiC的原因。
在電力電子領域，如何在高功率應用中有效減少或最小化功耗損失一直是非常重要的。與此類似，滿足極端條件下的熱設計要求也是非常重要的。SiC不但能夠滿足以上這些要求，其漏極-源極電阻（RDS(ON)）比硅器件低300到400倍。這一品質因數（FOM）是生產廠家的福音，基于這個特點，這些客戶可以設計出高效率的電力電子設備。此外，有效裸片面積相同的情況下，碳化硅器件（SiC）可以轉換的功率等級比基于硅（Si）的器件更高——換句話說，碳化硅器件（SiC）可以用更小的芯片尺寸實現相同的功率等級轉換。此外，SiC具有較高的電熱導率和快速開關功能，以及較低的輸出電容與RDS(ON)。因為碳化硅（SiC）器件可以轉換更高等級的能量并且理論上具備更高的開關頻率，可以幫助制造商節省系統成本。原因何在？因為這些品質因數（FOM）意味著那些被動元器件的尺寸可以大大減少，例如：變壓器、扼流圈和電感器等磁性部件，而這些器件在開關電源設計中所有開關電源設計中都必不可少的；所有這些FOM意味著碳化硅器件（SiC）將在三相逆變器、數字電源和功率電子變換器（AC/DC和DC/DC）等應用中大有作為。效率是各個制造商當下所追求的另一個FOM。鑒于全球都在推進“綠色”能源倡議，在許多應用中，效率也已成為一個關鍵的推動因素。下文中的圖1顯示了SiC相對于硅材料可實現更高的效率；這使其成為當今許多下一代設計中的首選技術。SiC等寬帶隙半導體技術是下一代高效功率電子器件的理想選擇（見圖2）。SiC從650V電壓開始便表現出出色的電壓阻斷能力，且在更高電壓下所帶來的優勢更為顯著。下一代解決方案的一個關鍵舉措是“綠色（即高能效）”系統的構建。SiC則可提供這種能力——其寬帶隙特性可實現更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量，和更低的總體成本——即相當于“更環?！钡慕鉀Q方案。
現在，我們對Si與SiC之間的比較有了更好的理解。在我們所處的全新數字世界，兩者在諸多應用中均占有一席之地；然而，在很多解決方案中，SiC能夠實現更優秀的性能指標。SiC技術能夠被應用在廣泛的電力電子解決方案中。由于具備較廣的工作柵極驅動范圍，在高頻DC/DC和AC/DC等應用中采用SiC會帶來許多優勢。此外，在電動車逆變器中使用SiC，更可獲得更低的導通損耗和強大的短路處理能力。SiC技術的不斷進步將促使其在更多應用中得到推廣，并開拓其它領域。同時，封裝設計的進步、市場接受度的提高，以及市場空間的快速增長，都會進一步助力SiC技術應用于更多解決方案。了解有關本主題的更多信息以及獲得針對您最新設計挑戰的解決方案，請訪問Qorvo Design Hub（https://cn.qorvo.com/design-hub/），獲取內容豐富的視頻、博客文章、白皮書和工具等。了解更多有關本主題和其它Qorvo電源解決方案的信息，請訪問Qorvo.com網站，或留言您的聯系方式和方案簡介，我們會有專人與您聯系。
原文標題：功率電子器件從硅（Si）到碳化硅（SiC）的過渡
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