一、碳化硅场效应管
碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。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，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
碳化硅历程表
1905年 第一次在陨石中发现碳化硅
1907年 第一只碳化硅晶体发光二极管诞生
1955年 理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从此将SiC作为重要的电子材料
1958年 在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流
1978年 六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法
1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基。
2001年德国Infineon公司推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。
2013年9月29日，碳化硅半导体国际学会“ICSCRM 2013”召开，24个国家的半导体企业、科研院校等136家单位与会，人数达到794人次，为历年来之最。国际知名的半导体器件厂商，如科锐、KIA可易亚、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。
碳化硅MOS的优势
硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。
20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半， 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。
碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。
碳化硅MOS管的应用
碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统，使用SiC MOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。
碳化硅制品的应用
（一）在冶金工业上的应用
(1)炼铁。在炼铁高炉的炉缸、炉腹、炉腰及风口区使用碳化硅砖、氮化硅结合碳化硅砖或石墨碳化硅砖。在高炉风口上使用氮化硅结合的碳化硅套砖。在鱼雷罐和混铁炉的炉衬上，以及铁沟料、出铁口用的炮泥中使用含碳化硅的Al2O3-SiC-C复合砖和不定形材料。
(2)炼钢。在炼钢方面，用碳化硅制成钢水测温套管，用含碳化硅的不烧砖做盛钢桶内衬,在连铸用长水口砖和整体塞棒上使用含碳化硅质的Al2O3-SiC-C砖。
(3)轧钢。在轧钢加热炉上用刚玉碳化硅滑轨砖、非金属陶瓷换热器，在铁鱗还原炉上用碳化硅质马弗罩等。
（二）在有色金属工业中的应用
(1)炼铜。在炼铜方面，在电解铜熔化竖炉的烧嘴区等易损部位使用碳化硅砖。
(2)炼铝。在炼铝方面，炼铝反射炉内衬、炉底、液面下侧墙用碳化硅砖或氮化硅、赛隆结合的碳化硅砖。炼铝的电解槽、流铝槽、出铝口、铸铝模都使用碳化硅砖。
(3)炼锌。在炼锌方面，炼锌竖罐蒸馏炉、冷凝器及转子等热工设备使用碳化硅炉衬。电热蒸馏炉、电极孔、锌蒸气循环管及通道，冷凝器及转子等部位也使用碳化硅砖。锌精馏炉的塔盘也使用碳化硅制品。
(4)炼镁炉。炼镁炉的炉衬、有色金属冶炼用的坩埚，使用碳化硅质耐火材料。
（三）在建材工业上的应用
(1)在陶瓷方面，用于生产日用陶瓷、建筑陶瓷、美术陶瓷、电子陶瓷等的隧道窑、梭式窑、罩式窑、倒焰窑等各种窑炉的碳化硅棚板、水平支柱、匣钵等。在隔焰窑上用碳化硅板做隔焰板、炉底等。在电炉上可做电炉衬套和马弗套。
(2)在水泥回转窑上，耐磨碳化硅砖用做卸料口炉衬砖。
(3)在玻璃工业上，用碳化硅砖砌筑罐式窑和槽式窑蓄热室的高温部位，玻璃退火炉和高压锅炉，以及垃圾焚烧炉燃烧室的内衬。
（四）在石油化工方面的应用
以硫酸分解食盐制造HCl和Na2S04时用碳化硅材料制造马弗套、制造硫酸用碳化硅雾化喷嘴、溢流槽。用氮化硅结合碳化硅材料制造即送泵零件、在催裂化装置用碳化硅做高温蒸气喷嘴，在纸浆生产中做分离亚硫酸盐蒸压釜内衬。用碳化硅制品做石油化工和热电厂各种锅炉的旋风除尘器的内衬。
（五）在机械工业上的应用
(1)做磨料、磨具。
(2)在气体渗碳炉上做加热辐射管。
(3)用碳化硅制造各种高温炉管、热电偶管、远红外反射板。
(4)利用碳化硅材料的良好导电性能，可以制成非金属电热元件。
商业前景
近几年来，商业化进程取得了巨大的进步。除了创造有利于供应商和用户的竞争格局之外，有多家 SiC MOSFET 供应商可以满足对第二供应商的担忧。如前所述，鉴于器件的漫长演进过程，多家 SiC MOSFET 供应商拥有足够可靠的器件的事实是一次巨大的进步。经许可转自 Yole Développement 的《2016 功率 SiC》报告的图 5，显示出截至 2016 年 7 月各供应商的 SiC MOSFET 活动。Wolfspeed、ROHM、ST Microelectronics 和 Microsemi 均推出了市售的零部件；
多晶片功率模块也是 SiC 领域客户和供应商之间的一个热门话题。图 6，同样转自 Yole’sDéveloppement 2016 年的报告，显示了 SiC 模块开发活动的状态。我们相信，对分离封装的 SiC MOSFET 仍然存在大量的机会，因为控制和功率电路的最佳布局实践可以很容易地将分离解决方案的适用性扩展到几十千瓦。更高的功率水平和简化系统设计的动机将推动 SiC 模块的开发工作，但是从封装、控制电路和周围的功率组件中优化寄生电感的重要性不能被夸大。
当谈到 SiC MOSFET 商业前景时最后一点不可回避的问题是价格。我们关于价格侵蚀的看法是有利的，主要是我们的方法的两个方面：首先，我们的器件是在一个汽车级的硅 CMOS 工厂中制造的；其次，这种工艺采用的是 150 毫米晶圆。可以简单地说，利用现有的硅 CMOS 工厂的核心优势是缺乏资本支出和优化经营费用（这两者都会被传递到最终客户）。此外，采用 150 毫米晶圆进行制造产出的器件要比 100 毫米晶圆多出两倍，这大大影响了每个模具的成本。根据在 Digi-Key 公司进行的一项市售 SiC MOSFET 调查，图 7 中给出了一些关于价格的预示。例如，自从六年前在 Digi-Key 公司的首次公告，TO-247 封装的 1200V、80 mΩ器件的价格下降了超过百分之八十，即使 SiC MOSFET 仍然比类似的硅 IGBT 贵两到三倍。在今天的价格水平上，相比较硅 IGBT，设计人员已经看到了使用 SiC MOSFET 所带来的巨大的系统层面的价格效益，而且我们预计，随着 150 毫米晶圆的规模经济形成，SiC MOSFET 的价格将会继续下降。
图 1：不同供应商的 SiC MOSFET 开发活动的状况
图 2：SiC 功率模块开发活动的状况【13，经许可转载】。蓝色圆圈表示只有 SiC 器件的模块，而橙色圆圈表示使用硅晶体管和 SiC 二极管的模块。
图 3：在 Digi-Key 公司【www.digikey.com】看到的关于市售 SiC MOSFET 的价格调查。
结论
上个世纪 80 年代，硅IGBT 对电力电子行业产生了巨大的积极影响，从那时起，它一直是这个行业的主力。下一项革命性的技术将是 SiC MOSFET。SiC MOSFET 今天的发展状况指出了主要的商业障碍（包括价格、可靠性、耐用性和供应商的多样化）的解决方案。尽管价格溢价超过硅 IGBT，但由于成本抵消的系统层面效益，SiC MOSFET 已经取得了成功；随着材料成本的下降，这种技术的市场份额在未来几年将大幅增加。经过 40 多年的开发工作，SiCMOSFET 终于似乎做好了广泛的商业成功的准备，并在绿色能源运动中发挥出重要的角色。
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