SiC和Si技術(shù)之間的差異：主要差異、關(guān)鍵優(yōu)勢和不同的參數(shù)等

導(dǎo)讀：在過去六十年中，硅（Si）無疑代表了半導(dǎo)體領(lǐng)域的一次革命。從微型電子計算器演變到現(xiàn)代數(shù)字化時代，半導(dǎo)體技術(shù)成為各種行業(yè)技術(shù)進步的核心推動力。但隨著摩爾定律逐漸接近其極限，及全球?qū)η鍧嵞茉醇夹g(shù)的重視與芯片短缺問題，該領(lǐng)域迫切需要更高效、更智能的解決方案。

一種新的半導(dǎo)體材料，碳化硅（SiC），正逐漸在電子行業(yè)中占據(jù)一席之地。這種與硅類似的物質(zhì)，因其卓越的性能和高效能源效率而受到廣大矚目。碳化硅首次由美國發(fā)明家Edward G. Acheson在1891年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時他正在嘗試制造人造鉆石。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著一個傳奇材料的誕生。

(資料圖)

現(xiàn)如今，從材料和制造技術(shù)的角度看，SiC的發(fā)展階段與三十年前的Si相似。但SiC基礎(chǔ)的器件預(yù)計將顯著提高整體系統(tǒng)的效率，且其開關(guān)頻率遠超傳統(tǒng)硅材料的能力。

盡管SiC在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初級階段，但對其的需求正在迅速上升。據(jù)MarketsandMarkets統(tǒng)計，預(yù)計SiC市場從2021年的8.99億美元將增至2026年的21.13億美元，年均復(fù)合增長率為18.7%。這一增長主要得益于電子、電力行業(yè)及新型電動車的市場需求。

當(dāng)我們決定采用SiC或Si為基礎(chǔ)的解決方案時，必須深入了解它們之間的核心差異、主要優(yōu)勢和相應(yīng)的權(quán)衡。

一、材料特性

作為一種寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的Si相比，SiC更寬的能量差使其具有更高的熱和電子特性。這一特性使功率器件能夠在更高的溫度、頻率和電壓下工作。

SiC在電動車應(yīng)用和其他電子電氣產(chǎn)品中的能效主要歸功于材料本身。與Si相比，SiC具有以下特點：

1、10倍的電介質(zhì)擊穿場強；

2、2倍的電子飽和速度；

3、3倍的能量帶隙；

4、3倍的熱導(dǎo)率；

簡而言之，隨著工作電壓的提高，SiC的優(yōu)勢變得更加明顯。與Si相比，1200V的SiC開關(guān)比600V的開關(guān)更具優(yōu)越性。這種特點促使了SiC功率開關(guān)器件的廣泛應(yīng)用，從而顯著提高了電動車、其充電設(shè)備和能源基礎(chǔ)設(shè)施的效率，使SiC成為汽車制造商和一級供應(yīng)商的首選。

但在300V及以下的低電壓環(huán)境中，SiC的優(yōu)勢相對較小。在這種情況下，另一種寬禁帶半導(dǎo)體——氮化鎵（GaN）可能更具應(yīng)用潛力。

二、性能特點：續(xù)航里程和效率

與Si相比，SiC的一個關(guān)鍵區(qū)別在于其更高的系統(tǒng)級效率，這是因為SiC具有更大的功率密度、更低的功率損耗、更高的工作頻率和更高的工作溫度。這意味著單次充電續(xù)航里程更高，電池尺寸可以更小，車載充電器（OBC）的充電時間更快。

在電動車的世界里，最大機會之一在于汽油發(fā)動機的替代品電動傳動系統(tǒng)的牽引逆變器。當(dāng)直流電（DC）流入逆變器時，轉(zhuǎn)換后的交流電（AC）幫助電機運轉(zhuǎn)，為車輪和其他電子元件提供動力。用先進的SiC芯片取代現(xiàn)有的Si開關(guān)技術(shù)，減少了逆變器中的能量損失，使車輛能夠提供額外的續(xù)航能力。例如，經(jīng)過實車驗證，Onsemi的VE-Trac Direct SiC功率模塊，可以將逆變器系統(tǒng)的效率提高40%，從而使凈駕駛里程增加了4%-8%。由于電池是電動車中最昂貴的部件，這對SiC來說是一種有吸引力的系統(tǒng)級增值。

因此，當(dāng)外形尺寸、逆變器或DC-DC模塊的尺寸、效率和可靠性等特性成為關(guān)鍵考慮因素時，SiC MOSFET成為一個引人注目的商業(yè)因素。設(shè)計工程師現(xiàn)在有了更小、更輕、更節(jié)能的功率解決方案，以滿足各種終端應(yīng)用。以特斯拉為例。雖然該公司的前幾代電動車使用Si IGBT，但標(biāo)準(zhǔn)轎車市場的興起促使他們在Model 3中采用了SiC MOSFET，從而成為了行業(yè)中的首次嘗試。

三、功率是關(guān)鍵因素

SiC的材料特性使其成為具有高溫、高電流和高導(dǎo)熱性的大功率應(yīng)用的首選。由于SiC器件可以在更高的功率密度下工作，它可以使電動車電子電氣系統(tǒng)的外形尺寸縮小。據(jù)高盛稱，SiC非凡的效率可以使電動車的制造成本和持有成本降低近2000美元/輛。

隨著某些電動車的電池容量已經(jīng)達到近100kWh，且還在計劃繼續(xù)增加以實現(xiàn)更高的續(xù)航里程，預(yù)計未來的幾代產(chǎn)品將嚴重依賴于SiC的附加效率和處理更高功率的能力。另一方面，對于低功率的車輛，如雙門入門級電動車、PHEV或使用20kWh或更小電池尺寸的輕型電動車，Si IGBT是更經(jīng)濟的解決方案。

為了在高電壓工作環(huán)境中最大限度地降低功率損耗和碳排放，行業(yè)越來越偏向于使用SiC而非其他材料。事實上，許多電動車用戶已將原有的Si方案替換為新的SiC開關(guān)，這進一步驗證了SiC技術(shù)在系統(tǒng)級上的明顯優(yōu)勢。

四、成本因素

如今，市場常態(tài)是，在相同性能等級的情況下，SiC組件的成本是Si組件的三倍。這主要是因為與Si相比，SiC的供應(yīng)鏈相對較短。

幾年前，主要的SiC供應(yīng)商需要花費大量時間來向客戶解釋額外成本帶來的長期投資回報。但現(xiàn)在，隨著市場的成熟，車廠更深刻地認識到SiC模塊的優(yōu)勢及其對實現(xiàn)目標(biāo)功率水平的幫助。不同于Si，SiC針對預(yù)期的應(yīng)用場景展現(xiàn)了特定的投資回報。

以Tier 1開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)為例，選擇基于SiC的逆變器成本會高于選擇基于Si的IGBT逆變器。初看之下，這似乎沒有投資的優(yōu)勢。但如果與致力于集成整體解決方案的車廠合作，SiC的解決方案可以為他們提供額外的4%-8%的續(xù)航能力或降低電池使用量，從而平衡那部分額外的成本支出。

將SiC MOSFET從6英寸晶圓轉(zhuǎn)向8英寸晶圓是加強SiC供應(yīng)的關(guān)鍵一步。它允許更好的工藝能力，從而實現(xiàn)更高的電流密度、更小的芯片尺寸、每片晶圓產(chǎn)出更多的芯片，以及高達30%的成本降低。由于目前大多數(shù)商業(yè)化的晶圓廠設(shè)備都是8英寸的，對8英寸SiC的投資可以使理論上的資本效率提高50%以上。

然而，考慮到當(dāng)前SiC技術(shù)成熟度面臨的眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，它將需要基礎(chǔ)工程開發(fā)。對8英寸的過早投資會成倍地增加技術(shù)的復(fù)雜性，阻礙解決的進展。換句話說，改進現(xiàn)有的6英寸SiC技術(shù)仍有大量的成本和產(chǎn)量效益。

五、市場機會

現(xiàn)在，四輪驅(qū)動系統(tǒng)越來越普及。在這種系統(tǒng)中，駕駛員可以根據(jù)道路條件（無論是雪地、結(jié)冰路面、濕滑還是干燥路段）選擇使用兩個車軸中的任何一個進行驅(qū)動。大部分時間，由于其高效率，更大的后軸都是啟動的，這時候，SiC的解決方案顯得尤為重要。

相對地，前軸作為輔助軸，通常用來提供額外的加速，這里經(jīng)常采用基于Si的IGBT解決方案。這種配置在系統(tǒng)級別提供了成本和效率的最佳平衡。

另外，SiC在電子電氣領(lǐng)域的另一個重大應(yīng)用機會是在車載充電器（OBC）中，它負責(zé)將充電站的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為汽車電池充電。隨著SiC技術(shù)的日益成熟，它在OBC應(yīng)用中的份額也逐漸增長，替代了傳統(tǒng)的硅基超結(jié)MOSFET。為未來的OBC設(shè)計的SiC開關(guān)帶來了更緊湊的尺寸和更快的充電速度。

得益于SiC更低的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗，整體效率得到顯著提升，從而減少了能源損耗，并使更多的電能輸送到電池中。這不僅增加了功率密度，允許更小巧的設(shè)計，而且也為用戶提供了一個更高效且成本更低的系統(tǒng)。

六、需要考慮的挑戰(zhàn)

隨著更多的行業(yè)參與者希望擴大其SiC的采用，最大的挑戰(zhàn)在于供應(yīng)鏈。目前，大多數(shù)設(shè)備供應(yīng)商2022年的產(chǎn)品都已售罄，而2023年只剩下少數(shù)幾個名額，交貨時間又很長。那么接下來的問題就是，客戶將如何大膽地與全球SiC供應(yīng)商簽訂長期協(xié)議以確保未來的產(chǎn)能。

在原子層面上，Si和碳化物原子的基本注入形成SiC會產(chǎn)生更高的缺陷密度，導(dǎo)致產(chǎn)量比Si低。這是一個工程上的障礙，需要聰明的頭腦來解決。基于SiC的解決方案量產(chǎn)的另一個關(guān)鍵推動因素是提供足夠的SiC晶體容量，以提高晶體質(zhì)量，并為200毫米的整個供應(yīng)鏈做好準(zhǔn)備。

七、展望未來

隨著電動車在全球的廣泛普及，SiC面臨的增長機會顯而易見。而大量的電動車涌入市場也意味著我們需要一個更為迅速和高效的充電網(wǎng)絡(luò)，以確保用戶在旅途中充足的電量，從而消除他們的續(xù)航里程擔(dān)憂。

像特斯拉這樣的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)展現(xiàn)了SiC在提高續(xù)航里程中的潛力，進而讓更多的車廠開始認識到SiC技術(shù)的獨特價值，并考慮將其整合進電驅(qū)系統(tǒng)?？紤]到全球正朝向凈零排放目標(biāo)邁進，加上越來越多的國家和企業(yè)承諾在2040年甚至更早前逐步放棄化石燃料車輛，SiC的創(chuàng)新解決方案無疑將重塑半導(dǎo)體行業(yè)的未來趨勢。

來源：華夏EV網(wǎng)

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