碳化硅 (SiC)的歷史與應用

碳化硅（SiC），通常被稱為金剛砂，是唯一由硅和碳構成的合成物。雖然在自然界中以碳硅石礦物的形式存在，但其出現相對罕見。然而，自從1893年以來，粉狀碳化硅就已大規模生產，用作研磨劑。碳化硅在研磨領域有著超過一百年的歷史，主要用于磨輪和多種其他研磨應用。

借助現代技術，人們已成功開發出高品質的工業級陶瓷材料，這些陶瓷表現出卓越的機械性能，包括：

- 高硬度

- 高強度

- 低密度

- 高彈性模量

- 高抗熱震性

- 出色的化學穩定性

- 高導熱性

- 低熱膨脹系數

這些高強度和耐用性的陶瓷廣泛應用于各種領域，如汽車制動系統、離合器以及用于防彈背心的陶瓷板。此外，碳化硅還在高溫和（或）高壓環境下的半導體電子設備中發揮作用，如火焰點火器、電阻加熱元件以及惡劣環境下的電子元器件。

碳化硅在汽車應用中的應用

碳化硅在汽車領域的主要應用之一是制造高性能的“陶瓷”制動盤。這些制動盤采用碳纖維增強碳化硅（C/SiC），其中硅與復合材料中的石墨結合。這種技術應用于一些高性能轎車、超級跑車以及其他頂級汽車型號。

另一個汽車應用是將碳化硅用作油品添加劑。在這種情況下，SiC可以減少摩擦、散熱以及諧波。

碳化硅的早期應用

**LED**

電致發光現象最早是在1907年首次通過使用碳化硅發光二極管（LED）實現的。很快，商用SiC基LED就開始生產。到了20世紀70年代，前蘇聯生產出了黃色的SiC LED，而在20世紀80年代，藍色LED開始在全球范圍內廣泛應用。隨后，氮化鎵（GaN）LED問世，其發光亮度比SiC LED高出數十倍甚至數百倍，因此SiC LED的生產幾乎停止。然而，SiC仍然作為GaN設備的基底廣泛使用，同時還用作高功率LED的散熱器。

**避雷器**

SiC具有高電阻，在達到閾值電壓（VT）之前，電阻較大。一項最早應用SiC的電氣應用是分布式電源系統中的避雷器（見圖1）。

SiC避雷器的工作原理是在高壓電線和地之間連接SiC芯塊柱。當電源線受到雷擊時，線路電壓上升并超過SiC避雷器的閾值電壓（VT），將雷擊電流導向地，而不是電力線，從而避免了潛在的危害。然而，這些SiC避雷器在電力線正常工作電壓下會導通，因此必須與火花隙串聯。當雷擊使電源線導線電壓升高時，火花隙會離子化并導通，將SiC避雷器有效地連接在電力線和地之間。然而，后來發現避雷器中使用的火花隙并不總是可靠。由于材料失效、灰塵或鹽侵等原因，可能出現火花隙在需要時無法觸發電弧，或者電弧在閃電結束后無法迅速熄滅的情況。因此，具有無火花隙設計的SiC避雷器大多被采用氧化鋅芯塊的無間隙變阻器所替代。

**SiC在電力電子中的應用**

使用SiC制造的半導體器件包括肖特基二極管（也稱為肖特基勢壘二極管或SBD）、J型場效應晶體管（JFET）以及用于高功率開關應用的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。SemiSouth Laboratories（已于2013年倒閉）在2008年推出了第一款商用的1200V JFET，而Cree則在2011年生產了第一款商用的1200V MOSFET。與此同時，一些公司還開始嘗試將SiC肖特基二極管芯片應用于電力電子模塊。實際上，SiC SBD已廣泛用于IGBT電源模塊和

功率因數校正（PFC）電路。

**SiC的優勢與挑戰**

碳化硅基電力電子元件之所以備受關注，一個重要原因是在相同阻斷電壓條件下，其摻雜密度幾乎比硅基設備高出百倍。這使得可以在低導通電阻下獲得高阻斷電壓。低導通電阻對于高功率應用至關重要，因為它降低了發熱，減少了系統的熱負荷，提高了整體效率。

然而，生產SiC基電子元件本身也面臨一些挑戰，主要是消除缺陷。這些缺陷會導致以SiC晶體制成的器件的反向阻斷性能較差。除了晶體質量問題，二氧化硅和SiC之間的界面問題也限制了SiC基功率MOSFET和絕緣柵雙極型晶體的發展。幸運的是，通過使用滲氮工藝來降低這些界面問題引起的缺陷。

**碳化硅的磨片應用**

碳化硅仍然用作許多工業應用中的研磨劑。在電子行業中，它主要用作光導纖維兩端在拼接之前的拋光膜。這些膜片能夠提供光纖接頭所需的高度光潔度，以確保其有效運行。

碳化硅的生產歷史已有一百多年，但其在電力電子領域的廣泛應用直到最近才得以實現。由于其獨特的物理和電氣特性，碳化硅在高壓和高溫應用中發揮著關鍵作用。

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