碳化硅材料的主要应用

碳化硅主要有先进陶瓷、高级耐火材料、磨料和冶金原料、半导体等五大应用方向。其中，第三代半导体，是碳化硅最具有前景的应用领域。以碳化硅为代表的第三代宽带半导体材料（包括氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等）广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域。

碳化硅材料在各领域的应用

碳化硅基复合材料（SiC-CMC）也是碳化硅的重要领域，在航空发动机上，SiC-CMC材料主要用于热端部件，如喷管、燃烧室火焰筒。低压涡轮静子叶片和喷管调节片等。

碳化硅也可做优异的催化剂载体，在碳化硅上负载NiS2，可以有效保持NiS2的活性，可用于汽车尾气的净化；同时以碳化硅为载体制备的催化剂，因在支链烷烃的异构化过程中，有较高的活性和选择性，可广泛应用于石油化工领域中。

令IGBT甘拜下风的原因

这里说的碳化硅做半导体材料，其实主要说的采用碳化硅衬底的MOS管。纯净的碳化硅掺入三价硼，由于最外层缺少了一个电子，它就携带了一个正电，形成p型半导体，在这里碳化硅就是它的衬底，因为带正电，所以也称之为p型衬底，最后再加上其它结构，就构成了一只以碳化硅为衬底的MOS管。而常规的MOS管都是以硅为衬底的，衬底虽然不一样，但使用方法是一样的，都是给高电平，就能导通（N型），相反给低电平，MOS管就会截止。

碳化硅的MOS管

都是MOS管，但是碳化硅的MOS功率性能跟更强大，比如特斯拉的Model3搭载了碳化硅MOS，使它的逆变器从Model S的82%提升至Model3de 90%。所谓逆变就是将电池的直流电转化为交流电，因为车的电机是交流电机，所以需要逆变。

特斯拉Model 3逆变器

同时需要注意的是，碳化硅MOS在电动车上取代的不是硅基的MOS，普通的MOS和碳化硅就没有可比性了，它取代的是硅基的IGBT。

IGBT是什么？本质上它就是一个电子开关，它是MOS管和三级管的组合体，虽然IGBT也能承受高压，但是IGBT的性能已经达到瓶颈，很难在有质的提升，最根本的原因就是它采用硅这种材料很难再有突破了。目前电动汽车驱动逆变器绝大部分是基于传统硅基IGBT功率模块的设计，存在开关频率低、损耗达的缺点，严重制约了新能源汽车驱动器功率密度的提高。

禁带宽度方面，禁带宽度是什么？禁带宽带是衡量半导体性能的重要参数，硅的禁带宽带是1.12eV，而碳化硅的禁带宽带可高达到3.26eV，两者相差将近三倍。简单理解就是，比如在纯净的硅晶体中，要使它最外层电子摆脱原子核的束缚，至少需要1.12eV的能量，而碳化硅就需要3.26eV的能量，才能使它的最外层电子摆脱原子核束缚。所以，不难看出碳化硅的耐压性要更高，击穿1cm的硅需要30万伏的电压，也击穿相同厚度的碳化硅就需要高达220万伏的高压，当MOS管断开时，电压都施加在了碳化硅衬底上。因此面对同样的电压，采用碳化硅的器件就可以做的小很多。

热导率方面，碳化硅几乎是硅器件的3倍，也就是说，面对同样的热量，碳化硅器件可以更快的散热，这样更有利于将器件做小。

工作温度方面，理论上说碳化硅器件可以工作在200℃以上的温度，而硅器件的最高温度只有150℃，这就大大丰富了碳化硅的应用场景。

工作频率方面，碳化硅有更快的开关速度，使得开关损耗大大降低。

基于这些优异的性能，使碳化硅的模块相比IGBT模块提升了5%的系统效率，对应的续航会增加5%，如果是一辆400千米续航的电车，采用碳化硅将增加20千米的续航，这就是为什么各大车企都在大力布局碳化硅的原因。

碳化硅半导体不可替代的优势

虽然与硅IGBT功率模块相比，碳化硅优势更突出，但是，功率件的封装技术也成为摆在大家面前的一个瓶颈。

“现在我们新能源汽车所用的电可能还有煤电，未来光伏发电就会占更多的比重，甚至全部使用光伏发电。”欧阳明高说，光伏需要新能源汽车来储能，而新能源汽车也需要完全的可再生资源。在欧阳院士提出的三种主要应用“光伏逆变器+储能装置+新能源汽车”中，碳化硅功率器件都是不可或缺的重要半导体器件。

当前，我国正在经历“碳达峰”阶段，并逐步过渡到“碳中和”时代。碳化硅材料在光电、风电、电动汽车、充电桩、特高压等高功率、中高开关评率的应用中有不可替代的优势。国内碳化硅生产制造以及应用等各环节发力，务必实现自主可控，利用碳化硅的优势，为“碳中和”乃至“碳净零”的目标奋斗。（新闻来源于新型陶瓷 ，作者空青）