信息功能材料

信息功能材料第一頁，共十五頁，2022年，8月28日Contents引言SiC半導(dǎo)體材料的特性現(xiàn)有的SiC器件SiC器件在艦船上的應(yīng)用結(jié)束語第二頁，共十五頁，2022年，8月28日引言

SiC半導(dǎo)體材料具有寬禁帶隙、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高飽和電子遷移率，高耐輻照等特點(diǎn)，可以制成體積小、重量輕的器件。它在海軍艦艇的高溫、高頻、大功率、光電子以及抗輻射器件等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。隨著艦船的全電力化進(jìn)程，電力武器、通信、雷達(dá)的發(fā)展對發(fā)電、輸送、貯存、轉(zhuǎn)換和控制開關(guān)等使用的材料和器件提出了更高要求，傳統(tǒng)使用的Si半導(dǎo)體材料及器件已經(jīng)不能滿足高電壓、高頻和高溫條件下工作的需求，為適應(yīng)上述工作環(huán)境，需要開展SiC半導(dǎo)體材料和器件的研究。第三頁，共十五頁，2022年，8月28日SiC半導(dǎo)體材料的特性性能組織特點(diǎn)：由Si和C兩種原子構(gòu)成；基本結(jié)構(gòu)單元為正四面體結(jié)構(gòu)，大量的結(jié)構(gòu)單元在頂角相連結(jié)合，即構(gòu)成SiC晶體；有200多種同質(zhì)異構(gòu)體。性能特征：SiC半導(dǎo)體材料具有寬禁帶隙、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高飽和電子遷移率，高耐輻照等特點(diǎn)，可以制成體積小、重量輕的器件。SiC是非常硬的物質(zhì)，彈性模量為424GPa，其硬度僅次于金剛石和碳化硼。SiC的熔點(diǎn)為2800℃(3.5MPa下)，其熱穩(wěn)定性很高。SiC具有很大的化學(xué)惰性。第四頁，共十五頁，2022年，8月28日

RealityIdentitySiC與Si半導(dǎo)體材料的特性SiC晶格類型舉例第五頁，共十五頁，2022年，8月28日現(xiàn)有的SiC器件肖特基器件單極型功率器件雙極型功率器件SiC器件第六頁，共十五頁，2022年，8月28日肖特基器件普通肖特基器件開關(guān)頻率高，正向壓降低，但反向擊穿電壓比較低。SiC肖特基二極管可以在一定程度上克服此缺點(diǎn)。Cree公司生產(chǎn)的產(chǎn)品性能：在1200V反向偏壓下，25℃時漏電為50μA，200℃時的漏電流為100μA第七頁，共十五頁，2022年，8月28日單極型功率器件SiC門極絕緣型場效應(yīng)晶體管具有低比導(dǎo)通電阻，高工作頻率和高溫工作穩(wěn)定性，已制成SiC芯片大約是SiC導(dǎo)態(tài)電阻的1/30通態(tài)電壓隨溫度變化穩(wěn)定。SiC面結(jié)型場效應(yīng)晶體管已達(dá)到在500℃工作2000小時無衰減。第八頁，共十五頁，2022年，8月28日雙極型功率器件1×1cm4H-SiC器件晶閘管，在100μA時正向阻斷電壓為5.2KV，其開關(guān)時間小于2000ns,比同類類型Si晶閘管速度快10倍以上。12KVSiC絕緣柵雙極晶體管轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85％第九頁，共十五頁，2022年，8月28日SiC器件在艦船上的應(yīng)用SiC航空母艦固態(tài)變電站上的應(yīng)用導(dǎo)彈驅(qū)逐艦綜合電力系統(tǒng)上的應(yīng)用艦船雷達(dá)上的應(yīng)用第十頁，共十五頁，2022年，8月28日航空母艦固態(tài)變電站上的應(yīng)用根據(jù)航空母艦配電系統(tǒng)的要求，已進(jìn)行了SiC基固態(tài)變電站的研究。研究SiC器件為基的固態(tài)變電站可以實現(xiàn)下列效益：1)減輕重量和減少體積；2)改善和實現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)，使電力效率提高20％；3)實現(xiàn)快速故障檢測、保護(hù)；4)容易貯存能量并裝有多個抽頭的直流配電和輸出。

采用新型數(shù)字式SiC基固態(tài)變電站后，轉(zhuǎn)換電源的工作頻率可從60Hz提高到20kHz，單臺重量從6T降低到1.7T，體積從10m3減小到2.7m3，輸出方式由固定單項輸出改善為多抽頭輸出，使其電能質(zhì)量，可恢復(fù)性，重量、體積、模塊和與電力系統(tǒng)的兼容性最佳化。第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日導(dǎo)彈驅(qū)逐艦綜合電力系統(tǒng)上的應(yīng)用EMPF公司將在海軍DDG1000綜合電力系統(tǒng)內(nèi)使用寬帶隙半導(dǎo)體器件。EMPF公司對SiC和Si飽和電流、電壓、瞬態(tài)時間和功率消耗進(jìn)行了比較。在大多數(shù)情況下建模結(jié)果揭示當(dāng)用SiC器件代替Si器件時其性能得到很大改善。在測試線路中用SiCVJFET代替SiIGBT，功率消耗改善25倍。SiCVJFET開關(guān)速度比SiIGBT更快，由于SiCVJFET的瞬變時間比SiIGBT的短200倍以上。第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日艦船雷達(dá)上的應(yīng)用未來的海軍艦載雷達(dá)系統(tǒng)將需要高功率，高穩(wěn)定性，快速的射束轉(zhuǎn)換。目前使用最好的的鐵氧體高功率移相器技術(shù)仍不能滿足未來海軍雷達(dá)對開關(guān)速度、大小和成本的要求。F&HASA公司開發(fā)了SiC基固態(tài)高功率相移器，性能優(yōu)越。洛克希德·馬丁公司發(fā)使用了基于SiC的高功率收發(fā)S4REDM(一種有源的、電子控制的、基于天線的雷達(dá)系統(tǒng))。由于熱容高，所以碳化硅可以提供比其他通用材料高得多的功率，由于功率提高了，所以雷達(dá)的探測范圍也增加了，并且可以提供更加精確的目標(biāo)。SemiSouth實驗室從ONR得到價款260萬美元的合同，用于大功率雷達(dá)系統(tǒng)的SiC射頻晶體管的制造工藝的開發(fā)。第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日結(jié)語

美國根據(jù)海軍先進(jìn)艦船需要而制訂了寬帶隙半導(dǎo)體高功率電子器件計劃，從SiC材料的制備，器件和模塊的制造到固態(tài)變電站的演示的一體化研發(fā)工作是值得我們借鑒的。該國著名SiC材料和器件生產(chǎn)公司以及有關(guān)高等院校、研究所等大力協(xié)作，緊緊圍繞SiC器件在新型艦船上的應(yīng)