碳化硅(SiC)：历史与应用

硅与碳的唯一合成物就是碳化硅(SiC)，俗称金刚砂。SiC 在自然界中以矿物碳硅石的形式存在，但十分稀少。不过，自1893 年以来，粉状碳化硅已被大量生产用作研磨剂。碳化硅用作研磨剂已有一百多年的历史，主要用于磨轮和众多其他研磨应用。

利用当代技术，人们已使用SiC 开发出高质量的工业级陶瓷。这些陶瓷展现出颇具优势的机械特性，如：

• 高硬度
• 高强度
• 低密度
• 高弹性模量
• 高抗热震性
• 优越的化学惰性
• 高导热率
• 低热膨胀

这些高强度、较持久耐用的陶瓷广泛用于各类应用，如汽车制动器和离合器，以及嵌入防弹背心的陶瓷板。碳化硅也用于在高温和/或高压环境中工作的半导体电子设备，如火焰点火器、电阻加热元件以及恶劣环境下的电子元器件。

SiC 在汽车中的应用

碳化硅在汽车中的一个主要用途就是高性能“陶瓷”制动盘。硅与复合材料中的石墨结合形成了碳纤维增强碳化硅(C/SiC)。这种制动盘用于一些运动型轿车、超级跑车以及其它顶级车型。

SiC 在汽车中的另一个应用是用作油品添加剂。作此用途时，SiC 可减少摩擦、辐射以及谐波。

SiC 的早期应用

LED

电致发光现象最早于1907 年使用碳化硅发光二极管(LED) 发现。很快，第一批商用SiC 基LED 就生产出来了。20 世纪70 年代，前苏联生产出了黄色SiC LED，20 世纪80 年代蓝色LED 在世界范围内广泛生产。后来推出了氮化镓(GaN) LED，这种LED 发出的光比SiC LED 明亮数十倍乃至上百倍，SiC LED 也因此几乎停产。然而，SiC 仍然是常用于GaN 设备的基底，同时还用作高功率LED 散热器。

避雷器

达到阈值电压(VT) 前，SiC 都具有较高的电阻。达到阈值电压后，其电阻将大幅下降，直至施加的电压降到VT 以下。最早利用该特性的SiC 电气应用是配电系统中的避雷器（图1）。

图1：SiC 避雷器应用（图片由ArresterWorks 提供）。

由于SiC 拥有压敏电阻，因此SiC 芯块柱可连接在高压电线和地面之间。如电源线遭雷击，线路电压将上升并超过SiC 避雷器的阈值电压(VT)，从而将雷击电流导向并传至地面（而非电力线），因此不会造成任何伤害。但是，这些SiC 避雷器在电力线正常工作电压下过于导电。因而必须串联一个火花隙。当雷击使电源线导线的电压上升时，火花隙将离子化并导电，将SiC 避雷器有效地连接在电力线和地面之间。后来，相关人员发现避雷器中使用的火花隙并不可靠。由于材料失效、灰尘或盐侵等原因，可能出现火花隙在需要时无法触发电弧，或者电弧在闪电结束后无法猝熄的情况。SiC 避雷器本来是用来消除对火花隙的依赖的，但由于其不可靠，有间隙的SiC 避雷器大多被使用氧化锌芯块的无间隙变阻器所取代。

电力电子中的SiC

使用SiC 生产的半导体设备有多种，包括肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管，或SBD）、J 型FET（或JFET），以及用于大功率开关应用的MOSFET。SemiSouth Laboratories（已于2013 年倒闭）在2008 年推出了第一款商用1200 V JFET，Cree 在2011 年生产了第一款商用1200 V MOSFET。在此期间，一些公司也开始尝试将SiC 肖特基二极管裸芯片应用到电力电子模块中。事实上，SiC SBD 已广泛用于IGBT 电源模块和功率因数校正(PFC) 电路。

图2：SiC 元件代表：肖特基二极管、JFET 和MOSFET。

SiC 的利与弊

SiC 基电力电子元件如此吸引人的一个原因就是，在既定阻断电压条件下，其掺杂密度比硅基设备几乎高出百倍。这样就可以通过低导通电阻获得高阻断电压。低导通电阻对高功率应用至关重要，因为导通电阻降低时发热少，从而减少了系统热负荷并提高了整体效率。

但生产SiC 基电子元器件本身也存在一些难点，消除缺陷成了最重要的问题。这些缺陷会导致SiC 晶体制成的元器件反向阻断性能较差。除了晶体质量问题，二氧化硅和SiC 的接口问题也阻碍了SiC 基功率MOSFET 和绝缘栅双极型晶体的发展。幸运的是，生产中使用渗氮工艺可使造成这些接口问题的缺陷大大降低。

SiC 研磨片

碳化硅仍然在许多工业应用中用作研磨剂。其在电子行业中主要用作抛光膜，用于在拼接前为光导纤维的两端抛光。这些膜片能够给光纤接头带来有效运作所需的高光洁度。

结论

碳化硅的生产已有一百多年的历史， 但直到最近才用于电力电子行业。由于其具备特殊的物理和电气特性，在高压和高温应用中十分有用。