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碳化硅 (SiC)的历史与应用

深圳市浮思特科技有限公司 2023-09-08 15:24 次阅读

碳化硅(SiC),通常被称为金刚砂,是唯一由硅和碳构成的合成物。虽然在自然界中以碳硅石矿物的形式存在,但其出现相对罕见。然而,自从1893年以来,粉状碳化硅就已大规模生产,用作研磨剂。碳化硅在研磨领域有着超过一百年的历史,主要用于磨轮和多种其他研磨应用。

借助现代威廉希尔官方网站 ,人们已成功开发出高品质的工业级陶瓷材料,这些陶瓷表现出卓越的机械性能,包括:

- 高硬度

- 高强度

- 低密度

- 高弹性模量

- 高抗热震性

- 出色的化学稳定性

- 高导热性

- 低热膨胀系数

这些高强度和耐用性的陶瓷广泛应用于各种领域,如汽车制动系统、离合器以及用于防弹背心的陶瓷板。此外,碳化硅还在高温和(或)高压环境下的半导体电子设备中发挥作用,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

碳化硅在汽车应用中的应用

碳化硅在汽车领域的主要应用之一是制造高性能的“陶瓷”制动盘。这些制动盘采用碳纤维增强碳化硅(C/SiC),其中硅与复合材料中的石墨结合。这种威廉希尔官方网站 应用于一些高性能轿车、超级跑车以及其他顶级汽车型号。

另一个汽车应用是将碳化硅用作油品添加剂。在这种情况下,SiC可以减少摩擦、散热以及谐波。

碳化硅的早期应用

**LED**

电致发光现象最早是在1907年首次通过使用碳化硅发光二极管(LED)实现的。很快,商用SiC基LED就开始生产。到了20世纪70年代,前苏联生产出了黄色的SiC LED,而在20世纪80年代,蓝色LED开始在全球范围内广泛应用。随后,氮化镓(GaN)LED问世,其发光亮度比SiC LED高出数十倍甚至数百倍,因此SiC LED的生产几乎停止。然而,SiC仍然作为GaN设备的基底广泛使用,同时还用作高功率LED的散热器。

**避雷器**

SiC具有高电阻,在达到阈值电压(VT)之前,电阻较大。一项最早应用SiC的电气应用是分布式电源系统中的避雷器(见图1)。

wKgaomT6y3uAAvBBAAFcMsycrL8694.png图1:SiC 避雷器应用

SiC避雷器的工作原理是在高压电线和地之间连接SiC芯块柱。当电源线受到雷击时,线路电压上升并超过SiC避雷器的阈值电压(VT),将雷击电流导向地,而不是电力线,从而避免了潜在的危害。然而,这些SiC避雷器在电力线正常工作电压下会导通,因此必须与火花隙串联。当雷击使电源线导线电压升高时,火花隙会离子化并导通,将SiC避雷器有效地连接在电力线和地之间。然而,后来发现避雷器中使用的火花隙并不总是可靠。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迅速熄灭的情况。因此,具有无火花隙设计的SiC避雷器大多被采用氧化锌芯块的无间隙变阻器所替代。

**SiC在电力电子中的应用**

使用SiC制造的半导体器件包括肖特基二极管(也称为肖特基势垒二极管或SBD)、J型场效应晶体管(JFET)以及用于高功率开关应用的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。SemiSouth Laboratories(已于2013年倒闭)在2008年推出了第一款商用的1200V JFET,而Cree则在2011年生产了第一款商用的1200V MOSFET。与此同时,一些公司还开始尝试将SiC肖特基二极管芯片应用于电力电子模块。实际上,SiC SBD已广泛用于IGBT电源模块

功率因数校正(PFC)电路。

wKgaomT6y2mAAaq1AADZ-Q8-xBY522.png图2:SiC元件代表:肖特基二极管

**SiC的优势与挑战**

碳化硅基电力电子元件之所以备受关注,一个重要原因是在相同阻断电压条件下,其掺杂密度几乎比硅基设备高出百倍。这使得可以在低导通电阻下获得高阻断电压。低导通电阻对于高功率应用至关重要,因为它降低了发热,减少了系统的热负荷,提高了整体效率。

然而,生产SiC基电子元件本身也面临一些挑战,主要是消除缺陷。这些缺陷会导致以SiC晶体制成的器件的反向阻断性能较差。除了晶体质量问题,二氧化硅和SiC之间的界面问题也限制了SiC基功率MOSFET和绝缘栅双极型晶体的发展。幸运的是,通过使用渗氮工艺来降低这些界面问题引起的缺陷。

**碳化硅的磨片应用**

碳化硅仍然用作许多工业应用中的研磨剂。在电子行业中,它主要用作光导纤维两端在拼接之前的抛光膜。这些膜片能够提供光纤接头所需的高度光洁度,以确保其有效运行。

碳化硅的生产历史已有一百多年,但其在电力电子领域的广泛应用直到最近才得以实现。由于其独特的物理和电气特性,碳化硅在高压和高温应用中发挥着关键作用

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