SiC概述与主要特点、电学优势
碳化硅（SiliconCarbide），是一种由硅和碳组成的化合物半导体材料。作为一种固体材料，碳化硅具有化学性质非常稳定、导热系数非常高、硬度仅次于金刚石等优点。而且它耐高温的特性优异、重量轻而强度高，是一种全方位表现都很优异的新材料。因而近年来从航天到刹车盘甚至到打磨木材用的砂纸，碳化硅材料获得了广泛的发展与应用。
但当SiC作为半导体材料来考量时，它的绝缘击穿电场（可以理解为耐压）是硅材料的10倍，带隙是硅的3倍，而且在制作时可以在较宽的范围内控制必要的N型和P型。所以在对反向截止耐压要求非常高（几百至数千伏特），而正向导通能力又要特别好的电力电子应用中，SiC被认为是一种能够超越Si极限的材料。
SiC的绝缘击穿场强大约是Si的10倍，因此与Si器件相比，能够以具有更高的杂质浓度和更薄厚度的漂移层制作出六百伏至上千伏的高耐压功率器件。高耐压功率器件的阻抗主要由该漂移层的阻抗组成，因此采用SiC可以得到单位面积的导通电阻非常低的高耐压器件。简单来说，就是漂移层具有电阻，漂移层越厚的话耐压越高，同时电阻也越大。理论上，相同耐压的器件，SiC单位面积的漂移层阻抗可以降低到Si的1/300。而在Si材料中，为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题，主要采用向掺杂层内注入少数空穴的方法，来增大半导体的导电效率，但是这个方法会拖慢半导体的运行速度。SiC材料却能够以高频器件结构的多数载流子器件(肖特基势垒二极管和MOSFET)去实现高耐压，从而同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性。但是这几个特性也限制了碳化硅半导体的用途：电压较高的应用场合优势明显，而中低压领域看来还需要长期的发展。
另外，SiC的带隙较宽，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高温下也可以稳定工作而不会发生失控。目前受制于封装SiC半导体的外壳材料，成品SiC器件只能承受150℃~175℃。笔者曾有一次不慎“烧毁”过一枚SiCMOSFET，其外壳烧焦到冒烟、开裂，但从电路中拆下来后惊讶地发现其工作能力几乎未受到影响。
图1：SiC二极管
SiC在电源中的应用
在讲解SiC在电源中的应用前，我们必须要简单解释一下半导体中“电子”与“空穴”的概念。“电子”，毫无疑问就是大家物理中学过的电子，带单位负电荷、质量几乎为零。而“空穴”，则是一种理解性的等效概念，带单位正电荷、等效质量不可忽略，所以远大于电子的质量。此二者运动起来就是半导体中的电流，半导体工作时它们通常同时存在，其数量比例由半导体制作时的材料、结构与工艺相关。电子因为轻巧，受到外部电场作用时运动速度快、惯性小；空穴则相反，运动速度更慢而且惯性大。
在上述原理的基础上来解释二极管的反向恢复就很好理解了，这个现象的主要成因就是：二极管正在正向导通时突然施加反向电压，电子迅速被反向而来的电场制止了运动，而空穴则由于惯性较大刹不住车，还要继续向前运动一段时间，以至于反向电场需要提供额外的能量（注入反方向的电流）来使这个运动赶紧停下来。由于这个惯性存在的时间和注入的反向电流都不可忽略，正向电流越大，空穴数量上也就越多，反向恢复效应越恶劣。在关断动作完成前半导体不能当做完成了一次由通到断的转换动作，所以半导体器件就有了“速度”一说。而碳化硅二极管的空穴浓度远小于硅二极管，所以它的反向恢复效应相应的就能小很多。
而对于工作于高开关频率、高反向点压、大正向电流的PFC二极管来说，反向恢复绝对是头号大敌。它会降低PFC的效率，带来非常大的开关EMI噪声。而且该反向电流是在PFCMOS开通时，从母线电容反灌给二极管，流经PFCMOSFEET的，那顺路就给PFCMOSFET造成远超正常工作状态的瞬态电流，极易造成PFCMOSFET损坏，形成可靠性隐患。（一个10A的正向电流可以造成高达20A的反向恢复电流，这个速度非常快、幅度非常大的电流脉冲是一个显著的EMI源。而且当反向电压是400V的母线电压时，不难计算其瞬态功率达到了8000W）。所以，既然SiC是一种电子导电的高耐压半导体，空穴浓度又远远低于硅半导体，毫无疑问其反向恢复效应可以小很多。PFC二极管就是头号用武之地了。在对比图中我们也可以看到，SiC的反向恢复效应比Si小得多而且更加温和，和正向导通时的电流也没有明显关系。须知PFC二极管通常是每秒开关100千次的数量级，每次开关都有一次反向恢复过程，积累起来后SiC带来的改善就非常显著。
TIPGaAs与GaN
GaAs（砷化镓）与GaN（氮化镓）也都是优秀的新一代半导体材料。GaAs的电子迁移率超高，通常作为高频、高速信号器件使用，比如射频放大器。2.4G无线通信中有较多的应用，所以基本上每个带有Wifi的设备中都有它。
GaN凭借高速、高耐压、耐温，也是下一代功率半导体的候选人。不过目前应用较多的却是它的光电效应，GaN主要能发出蓝光，是构成白光LED不可或缺的组成部分。同样，由于GaN的耐温和导热性能皆优于GaAs，所以也对GaAs构成了非常大的挑战。
图2：在电源中，SiC碳化硅被广泛应用。
图3：PFC升压电路原理图
图4：硅工艺碳化硅工艺的优势范围，少数载流子即“空穴”，多数载流子即“电子”。
图5：硅半导体二极管与碳化硅二极管的反向恢复效应与正向电流相关性对比
图6：硅半导体二极管与碳化硅二极管的反向恢复效应与温度相关性注：对于部分物理概念与现象，为帮助读者理解，其适用程度仅限于本文范围。通常而言，在较大功率比如500W以上的电源中，仅仅把PFC二极管从硅更换成相同电流等级的碳化硅，就可以实现大约1%的效率提升。附加带来的还有EMI改善、热和可靠性的优化等等好处，所以降低了这方面的成本。由于碳化硅二极管具有综合性的优势，大约在2012年~2014年间，碳化硅二极管就已经在高端的通信电源、太阳能逆变器及其他工业电源领域获得了使用并得到了推广。到了2015年左右陆陆续续有PC电源开始采用。而到了2016年，碳化硅二极管几乎在PC电源上获得了大范围铺开，400元以上的电源中几乎获得了全面的使用。
其实在这个问题上，所有厂商、所有工程师都知道碳化硅好，但为什么应用进展这么慢，主要是三个原因：
第一就是贵。以最新的批量采购价格来看，同规格的碳化硅二极管价格是硅二极管的10倍左右。这一点对于本来成本压力就已经非常巨大的电源来说，无疑是最大的障碍。
第二是风险控制。新东西出来，谁都不愿意吃螃蟹。再者碳化硅供应方的工艺、品控都是需要验证的。ROHM（罗姆半导体）当初就是一边激进地推动，另一边可靠性没做到位，在应用中存在不可忽略的故障率。砸了自己的招牌还坑害了一众用户，现在被迫走上了低价路线。
第三是选择面太窄。虽然近两年推出SiC二极管的半导体制造商渐渐增多了，但是实际上经受住了应用考验的还是只有英飞凌和CREE两家。事实上，在2016年8月份英飞凌把CREE的碳化硅部门收购掉以后，可以说只剩一家了。这样一旦涨价，电源制造商们就会非常尴尬和被动。而ROHM出于前述因素，大家又都不敢用，当然，2017年情况可能会有所改善也未可知。
SiC二极管的辨别
SiC二极管从外观上与传统的高压二极管并无显著的区别。但是也好在了目前成熟供应商并不多，所以识别起来也很容易。
英飞凌的SiC二极管其命名前缀是IDxxxxxxx（xxxxx表示型号和封装参数，因不同设计采用的型号不一样，所以会有差距。），而图7中的IDH10G65C5则简写为D1065C5，表示10A、650V第五代碳化硅二极管，H是封装编号。目前大家能见到的英飞凌的碳化硅二极管，基本上都是65C5为尾缀。
CREE的产品则更好鉴别，但凡二极管看到CREE四个字母，毫无悬念是来自CREE的碳化硅产品。因为CREE作为LED芯片和高性能射频产品的领头羊基本不生产传统的硅半导体产品。当然其命名规则一般是CyDxxxx，y表示第几代碳化硅技术，目前是3。值得额外提一点的是，不同家对“代”的定义并不一样，更多像是个自己内部的概念，也就没有英飞凌的第五代比CREE的第三代先进这么一说。（如图8，CREE的碳化硅二极管C3D02060，表示第三代二极管，2A、600V。）
ROHM的碳化硅二极管产品则是大大的ROHM标，型号为SCSxxxxx。（如图9，ROHM的SCS212AG，12A、600V）
另外，由于SiC市场格局看来在两年内不会有太大变化，所以此辨别方法将在很长一段时间内有效。
写在最后
既然是如此好的高压半导体材料，SiC的应用看来也不会止步于二极管。没错，SiC材料的功率MOSFET现在也已面世，技术参数上很明显也是全面的超越了硅MOSFET。但是由于其过于昂贵的特点—最近一次询价表明采购价格约70元一枚—暂时离PC电源大范围使用还很遥远。但是碳化硅MOSFET在充电桩、太阳能、风能发电方面，已经渐渐进入应用。
在电源技术行业有一句很有意思的话叫“技术十年，材料一年”，也就是说电路技术上埋头苦干优化十年获得的进步，材料上的进步只消一年就可以达到相当的目的。SiC功率半导体的出现再次印证了这个定律。
图7：英飞凌SiC二极管
图8：CREE的碳化硅二极管
图9：ROHM碳化硅二极管