與Si 相比，SiC 技術優勢無庸置疑
目前，碳化矽 (SiC) 技術發展到了引爆點，它的明顯優勢推動著實際應用的廣泛採用。
當前，設計人員開始採用基於 SiC 的技術，以便保持競爭力，降低長期系統成本。這涉及到多方面的原因，包括：
- 降低總體成本：基於 SiC 的設計儘管需要前期投資，但效率更高，系統尺寸更小，可靠性也更高，因此能夠降低系統成本。
- 解決設計難題：由於 SiC 的特性，設計人員開發的設備可以縮小尺寸，降低運行溫度，提高開關速度，同時承受更高的工作電壓。
- 提高可靠性，改善性能：通過縮小設備尺寸，降低運行溫度，設計人員擁有更高的自由度可以探索更具創新性的設計選項，更貼切滿足市場需求。
當前，大多數電子設備採用的都是金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET)，其於 1959 年在貝爾實驗室誕生，並在 20 世紀 60 年代早期獲得廣泛採用。MOSFET 通過改變施加在柵極端子上的電壓來控制器件通道的電導率，從而實現信號放大或開關和功率處理等操作。
目前，矽(Si) 仍然是 MOSFET 的主要構建材料，但隨著市場對設備性能的要求日趨提高，Si 技術存在的局限性開始顯現。
SiC 相對於傳統 Si 所具有的優勢
我們一直都在研究能源的使用，將它從源頭轉化成最終應用，而所謂“馬力”也正有此意 —— 犁的設計對於土地翻耕效率而言，至關重要。
如今，我們考慮得更多的是從發電機輸出到終端電壓的電能和功率轉換，涉及一系列應用，包括 0.6VDC 的處理器，24VDC 到 500VAC 的工業電機驅動以及 400VDC 電動汽車充電電池。轉換過程必然需要使用功率半導體開關。數十年來，基於 Si 的半導體開關一直佔據著主導地位，包括 Si-MOSFET 和 IGBT。
這類開關損耗較大，效率低於 SiC。若要降低運營成本，提高能源效率，關鍵就在於減少電力浪費，控制熱量消耗。
近年來，SiC 和氮化鎵 (GaN) 成為了矽最為可行的替代品。兩者都有其特性，能逐步提高能源轉換效率。但這些寬能帶隙設備均無法直接替代 Si，此外還必須匹配應用電路設計，以便充分發揮其性能優勢。（圖 1 顯示了各種材料的主要差異。）
Si、SiC 和 GaN – 傳導損耗
Si-IGBT 導通狀態集電極-發射極飽和電壓幾乎恒定，集電極電流決定傳導損耗。Si-MOSFET 具有導通電阻，因此耗散功率為 I.R(ON)2（注意：在大電流基準下無法使用。
在低電壓和中小功率下，具有低 R(ON) 的 Si-MOSFET 傳導損耗低於 IGBT。SiC 和 GaN 材料的臨界擊穿電壓遠高於 Si，可以降低漂移層厚度，提高摻雜濃度。因此，額定電壓下給定晶片面積的導通電阻較低，有利於減少功率損耗，提高效率。
此外，SiC 的熱導率是 Si 的三倍以上，因此可以利用更小的晶圓體顆粒實現同等升溫。此外，SiC 和 GaN 的最高工作溫度也高於 Si，限制了器件壓力，提高了效率。
Si、SiC 和 GaN - 開關損耗
轉換器開關頻率高是一大優勢，可以縮小相關元件（尤其是磁性元件）的尺寸，從而產生微型化優勢並節省成本。然而，所有設備的開關損耗都與頻率直接相關。IGBT 很少在 20kHz 以上運行，因為“尾電流”、必要的緩衝電路和高器件電容的充放電會造成功率損耗。Si-MOSFET 可以承受數百 kHz 的開關頻率，但隨著頻率的升高，能量損耗、電流迴圈到輸出電容時輸出電容中儲存的能量 (EOSS) 逐漸成為限制因素。SiC 和 GaN 的電子飽和速度更快，電容也低得多，在迅速開關方面優勢明顯，能夠降低功率損耗。
當傳導通道反向偏置時，“第三象限”中器件的特性也很重要。例如，借助半橋驅動感性負載時就會出現這種情況（見圖 2）。IGBT 不會反向傳導，因此需要反並聯二極體。該二極體必須能夠快速恢復，且具有低電壓降。Si- 和 SiC-MOSFET 自帶快速主體二極體，但可以通過自身通道反向傳導，損耗低，且在通過柵極導通時不會產生反向恢復效應。
即使 MOSFET 在第三象限傳導時主動導通，主體二極體也會導通一小段時間，同時將兩個開關都關閉，防止直通電流通過半橋。此即所謂的“停滯時間”。當主體二極體導電時，二極體開關需要較高的正向電壓降和反向恢復，由此增加功率損耗。快速採用 SiC 和 GaN 可以減少停滯時間，降低相關損耗。
配置為高電子遷移率電晶體 (HEMT) 的 GaN 開關沒有主體二極體。與 MOSFET 一樣，HEMT 通道可以進行反向傳導，但在任何停滯時間內通過通道都會產生主體二極體效應。由此會產生相當於 2V 柵極閾值電壓的電壓降。除非主動打開通道，否則會導致功率耗散。
要點
在額定電壓高於 600V 的功率器件中，SiC 將迅速取代 Si，成為主要的半導體材料。
與目前的 Si 技術相比，SiC 的主要優勢包括工作電壓更高、溫度範圍更廣以及開關頻率更高。
與 Si 材料相比，SiC 還有很多優點，包括通過微型化顯著提高效率、降低冷卻要求，同時還能將整體系統成本在 Si 材料的基礎上降低 10-20%。
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