碳化硅是什么？碳化硅特性和碳化硅半导体用途、优势

由Stavros Skourakis，技术支持工程师（2024年3月）审查

半导体使我们的电子设备能够连接整个世界。硅（Si）长期以来一直是半导体的主要材料，但一种新的替代品是碳化硅（SiC）。

半导体材料具有独特的特性，例如电导率介于绝缘体和导体之间，具有两者的特性；在高温下具有低电阻率，适合用于计算机芯片中。

通过向其分子结构中添加杂质（掺杂）可以定制半导体的特性。这改变了电子在硅和碳化硅中的流动路径，并允许针对各种电子应用进行定制。

SiC器件在许多备受追捧的半导体特性上远远超过了Si器件，使其成为追求更高效率和性能的关键参与者。

由于其原子结构，碳化硅（SiC）的特性与纯硅不同。硅晶体结构使其形成与四个相邻硅原子相连的基本网格。然而，硅与碳结合形成紧密排列的四面体，其中四个碳原子中间是一个硅原子，从而产生晶体结构，最大限度地提高功率密度、效率和可靠性。

热导率是衡量热量通过材料传递的难易程度的指标。这是半导体的关键特性，因为它表明材料在多大程度上能够有效地散热（由于电流增加而导致的功率增加导致热量累积），从而提高其电压和电流能力。

硅的热导率为130 W/(m⋅K)，明显低于碳化硅的490 W/(m⋅K)，使得碳化硅半导体能够更有效地散热，承受更高的操作电压。

热膨胀是指材料由于温度变化而改变形状或尺寸——但不改变相位，例如从液体变成气体。一个常见的例子是将热水涂抹在卡住的瓶盖上，使其膨胀以便于打开。

碳化硅具有非常低的热膨胀系数，这意味着它在高温（和高电压）下更能保持其形状、强度和性能，而硅可能无法做到这一点。

两个其他关键且相关的半导体特性是材料的带隙和最大电场强度。

在半导体材料分子中，电子在不同的能带之间移动：它们必须占据的区域，因为在能带之间没有能量状态。带隙（或能隙）是电子从价带跃迁到导带所需的能量，从而允许导电。当半导体接收到电能并进入这个导电状态时，它们展现出独特的绝缘体/导体混合特性。

碳化硅半导体的能隙比硅基半导体高三倍，这使得它们能够承受比硅更高的电场强度，从而在更高电压和温度下运行。

如上所述，碳化硅半导体具有较大的能隙，相比硅基半导体可以更好地耐受和散热。它们还具有其他优点：

• 碳化硅的高能隙在高功率应用中非常有用，因为较高的能隙允许半导体器件更小，运行性能更高。
• 对于二极管，一种常见的半导体器件，击穿电压是反向施加电流可以流过二极管的电压。碳化硅的高击穿电压使其成为MOSFET的理想选择。
• 这导致MOSFET中另一个重要的半导体特性：反向恢复时间。如果MOSFET进入反向偏置状态，恢复到正常状态所需的时间称为反向恢复时间。在此期间，电流可以以反向流动，系统经历能量损失。在这些情况下，SiC器件具有极快的反向恢复时间和可忽略的能量损失，而Si器件则不然。
• 碳化硅在掺杂（添加杂质）方面比硅更具灵活性。它可以被定制为只在特定条件下导电，例如经历特定强度的光（红外线、可见光或紫外线），这使得碳化硅半导体具有更多的应用。