中国粉体网8月16日讯 碳化硅（Sic）又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。可以称为金钢砂或耐火砂。碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，该材料技术还大量应用在制作电热元件硅碳棒。
随着能源问题的日益凸显，电源、电动汽车、工业设备和家用电器等设备中功率变换器的性能提升变得尤为重要。而电力电子器件是电力电子技术的重要基础。电力电子装置中电力电子器件虽然只占装置总价值的20%~30%左右，但器件的性能对整个装置的各项技术指标和性能有着重要的影响，因而是电力电子领域中非常重要的研究方向。
理想的电力电子器件应当具有理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降;在开关状态和转换时，开、关时间短，能承受高的di/dt和dv/dt，具有低的开关损耗，并具有全控功能。自晶闸管和功率晶体管问世和应用以来，硅半导体器件在功率处理能力和开关频率方面不断改善，先后诞生了GTR、GTO、MOSFET和IGBT等现代电力电子器件，对电力电子系统缩小体积、降低成本起到了极其关键的作用。
然而硅电力电子器件经过近60年的长足发展，性能已经趋近其理论极限，通过器件原理的创新、结构的改善及制造工艺的进步已经难以大幅度的提升其总体性能，即将成为制约未来电力电子技术进一步发展的瓶颈之一。如何降低电力电子器件的能耗、提高温度极限已经成为全球性的重要课题。
自上世纪90年代开始，电力电子器件的研究人员就将目光转移到碳化硅、氮化镓等具有更优电气性能的宽禁带半导体材料上。碳化硅半导体作为一种典型的宽禁带半导体材料，其性能指标较砷化镓（GaAs）还要高一个数量级。经过过去数十年的发展，SiC材料的质量、尺寸和成本都得到了极大地提升，成为功率半导体器件领域硅材料的一个可能的替代材料。它具有禁带宽度高、饱和电子漂移速度高、临界电场击穿强度高、介电常数低和热导率高等特征。
基于碳化硅电力电子器件阻断电压高、工作频率高且耐高温工作能力强，同时又具有开关损耗小和通态比电阻低的优势。因此，采用碳化硅电力电子器件可以大大降低装置的功耗、缩小装置的体积。特别是在高频、高温和大功率电力电子应用领域，碳化硅电力电子器件优异的电气性能使其具有硅半导体器件难以比拟的巨大应用优势和潜力。
碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍（宽禁带）,达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器件相比,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器件的单位面积的阻抗仅为硅器件的100分之一。它的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻。因而碳化硅器件的发热量极低。这有助于减少传导和开关损耗，工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射能力。
近年利用碳化硅材料制作的IGBT（绝缘栅双极晶体管）等功率器件，已可采用少子注入等工艺，使其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身发热量小，因而碳化硅器件的导热性能极优。还有，碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。
碳化硅目前发展最成熟宽禁带半导体材料，电力电子方面也很重要，可制作出性能更加优异高温（300℃～500℃）、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SIC高功率、高压器件对于公电输运电动汽车等设备节能具有重要意义。采用SIC新器件将今后5～10年内出现，并将对半导体材料产生革命性影响。
SIC可以用来制造射频微波功率器件、高频整流器、MESFET、MOSFETJFET等。SIC高频功率器件已Motorola公司研发成功，并应用于微波射频装置；美国通用电气公司正开发碳化硅功率器件高温器件；西屋公司已经制造出了26GHz频率下工作甚高频MESFET;ABB公司正研制用于工业电力系统高压、大功率SIC整流器其他SIC低频功率器件。
理论分析表明，SIC功率器件非常接近理想功率器件。我们可以预见，各种SIC器件研发必将成为功率器件研究领域主要潮流之一。但我们也要清醒看到，SIC材料功率器件机理、理论制造工艺均有大量问题需要去解决，它要真正给电力电子技术领域带来新革命，估计还需要时间等待。
