信息功能材料

SiC半导体材料的特性及其在舰船上的应用于鹏超103111088Contents引言SiC半导体材料的特性现有的SiC器件SiC器件在舰船上的应用结束语引言SiC半导体材料具有宽禁带隙、高击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率，高耐辐照等特点，可以制成体积小、重量轻的器件。它在海军舰艇的高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射器件等方面具有巨大的应用潜力。随着舰船的全电力化进程，电力武器、通信、雷达的发展对发电、输送、贮存、转换和控制开关等使用的材料和器件提出了更高要求，传统使用的Si半导体材料及器件已经不能满足高电压、高频和高温条件下工作的需求，为适应上述工作环境，需要开展SiC半导体材料和器件的研究。SiC半导体材料的特性性能组织特点：由Si和C两种原子构成；基本结构单元为正四面体结构，大量的结构单元在顶角相连结合，即构成SiC晶体；有200多种同质异构体。性能特征：SiC半导体材料具有宽禁带隙、高击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率，高耐辐照等特点，可以制成体积小、重量轻的器件。SiC是非常硬的物质，弹性模量为424GPa，其硬度仅次于金刚石和碳化硼。SiC的熔点为2800℃(3.5MPa下)，其热稳定性很高。SiC具有很大的化学惰性。RealityIdentitySiC与Si半导体材料的特性SiC晶格类型举例现有的SiC器件肖特基器件单极型功率器件双极型功率器件SiC器件肖特基器件普通肖特基器件开关频率高，正向压降低，但反向击穿电压比较低。SiC肖特基二极管可以在一定程度上克服此缺点。Cree公司生产的产品性能：在1200V反向偏压下，25℃时漏电为50μA，200℃时的漏电流为100μA单极型功率器件SiC门极绝缘型场效应晶体管具有低比导通电阻，高工作频率和高温工作稳定性，已制成SiC芯片大约是SiC导态电阻的1/30通态电压随温度变化稳定。SiC面结型场效应晶体管已达到在500℃工作2000小时无衰减。双极型功率器件1×1cm4H-SiC器件晶闸管，在100μA时正向阻断电压为5.2KV，其开关时间小于2000ns,比同类类型Si晶闸管速度快10倍以上。12KVSiC绝缘栅双极晶体管转换效率高达85％SiC器件在舰船上的应用SiC航空母舰固态变电站上的应用导弹驱逐舰综合电力系统上的应用舰船雷达上的应用航空母舰固态变电站上的应用根据航空母舰配电系统的要求，已进行了SiC基固态变电站的研究。研究SiC器件为基的固态变电站可以实现下列效益：1)减轻重量和减少体积；2)改善和实现精确的电压调节，使电力效率提高20％；3)实现快速故障检测、保护；4)容易贮存能量并装有多个抽头的直流配电和输出。采用新型数字式SiC基固态变电站后，转换电源的工作频率可从60Hz提高到20kHz，单台重量从6T降低到1.7T，体积从10m3减小到2.7m3，输出方式由固定单项输出改善为多抽头输出，使其电能质量，可恢复性，重量、体积、模块和与电力系统的兼容性最佳化。导弹驱逐舰综合电力系统上的应用EMPF公司将在海军DDG1000综合电力系统内使用宽带隙半导体器件。EMPF公司对SiC和Si饱和电流、电压、瞬态时间和功率消耗进行了比较。在大多数情况下建模结果揭示当用SiC器件代替Si器件时其性能得到很大改善。在测试线路中用SiCVJFET代替SiIGBT，功率消耗改善25倍。SiCVJFET开关速度比SiIGBT更快，由于SiCVJFET的瞬变时间比SiIGBT的短200倍以上。舰船雷达上的应用未来的海军舰载雷达系统将需要高功率，高稳定性，快速的射束转换。目前使用最好的的铁氧体高功率移相器技术仍不能满足未来海军雷达对开关速度、大小和成本的要求。F&HASA公司开发了SiC基固态高功率相移器，性能优越。洛克希德·马丁公司发使用了基于SiC的高功率收发S4REDM(一种有源的、电子控制的、基于天线的雷达系统)。由于热容高，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，所以雷达的探测范围也增加了，并且可以提供更加精确的目标。SemiSouth实验室从ONR得到价款260万美元的合同，用于大功率雷达系统的SiC射频晶体管的制造工艺的开发。结语美国根据海军先进舰船需要而制订了宽带隙半导体高功率电子器件计划，从SiC材料的制备，器件和模块的制造到固态变电站的演示的一体化研发工作是值得我们借鉴的。该国著名SiC材料和器件生产公司以及有关高等院校、研究所等大力协作，紧紧围绕SiC器件在新型舰船上的应用研究工作也是值得学习的。我国应根据舰船需要，将进一步开发电源转换和控制用大功率、高压、高频和高温、抗辐照和耐腐蚀的半导体材料。