从航母到理想L9，为什么都用上这种材料，碳化硅有何优势？

从航母到理想L9都使用了碳化硅材料，是因为该材料有如下优势。

一、碳化硅是优秀的第三代半导体材料

性能优良的碳化硅，代表着先进的生产力，第三代半导体材料是由碳化硅、氮化镓等构成的一种宽禁带半导体材料，它的击穿电场高、热导率高、电子饱和率高、抗辐射能力强。

因而可以在高温、高频率环境下工作，并可在低功耗条件下实现高功率工作。

二、推动新能源汽车变革

早在2018年，特斯拉MODEL 3在主逆变器中就率先安装了24个由意法半导体生产的碳化硅MOSFET功率模块，这也是该种材料在民用方面较早的大规模应用。

以新能源汽车为例，根据Cree公司的计算，如果将纯电动汽车的电源元件转换为碳化硅，则可以提高电能转换效率，提高电能利用效率，降低无效热耗，从而降低整体能耗5%-10%。

2019年，碳化硅功率装置的市场规模达到5.41亿美元，2025年有望达到25.62亿，年均复合增长率30%左右。随着下游应用如电动车等的不断发展，导电碳化硅基板的市场将会迅速发展。

在应用方面，未来5年，高速发展的新能源汽车将是碳化硅行业的一个长期发展动力。2025-2030年，由于充电桩设施完善，光伏技术成熟，碳化硅产业有望成为第二、第三个驱动力。

三、应用市场十分广泛

碳化硅不仅仅可以应用在新能源汽车，在高铁列车、航空航天、无线通讯等行业中都有广泛的应用前景，但碳化硅的市场潜力还没有完全开发出来，从产业链的中游来看，它的成长空间很大，将会是推动上游材料发展的一大推动力。

漂浮在宇宙中的航天器是依靠什么来维持设备的正常运行并与地球保持通讯连接的呢？你可能会说，是太阳能。

没错，太阳能的确是航天器的天然能源，在太空中没有大气层的遮挡，航天器获取太阳能的效率要比在地球上高了很多，但太阳能只能为那些运行在地球周围的航天器提供能源，而对于那些朝着太阳系外而去的航天器，便爱莫能助了。

比如1977年发射的旅行者2号，现在它与我们的距离已经超过了200亿公里，在那里充斥着黑暗与寒冷，如果能够从旅行者2号上向后看，那么太阳不过是一个若隐若现的小亮点，它再也没有办法为那些远去的航天器提供能源了。然而宇宙深空才是人类的目标，所以航天器还需要自给自足，那么航天器的能源从何而来呢？就来自于航天器上所搭载的核电池。

核电池，只是听这个名字就会让我们联想到核能，而在地球上，我们获取核能的方式就是可控核裂变，也就是核电站。

核裂变过程会产生巨大的能量，而通过控制反应的中子数量便可以将核裂变可控化，这就是核电站的基本原理，那么航天器所使用的核电池是不是也是这么回事呢？完全不是。航天器中的核电池与核裂变并不是一回事，其实核电池只是通俗的叫法，它真正的名字应该是“放射性同位素电池”。

装载在核电池内部的主要物质是一种名为“钚”的放射性元素的同位素，也就是钚238。我们知道，放射性元素由于自身的不稳定，会发生衰变，而衰变简单来讲就是放射性元素释放出一部分粒子并转变为另一种元素的过程，而这个过程会导致质量发生亏损。

核裂变与核聚变为什么能够释放出巨大的能量？因为裂变和聚变的过程都会出现质量的亏损，而亏损的质量会以能量的形式被释放出来。

根据质能方程E=mc 2，也就是能量等于质量乘以光速的平方，因为光速取值299792458，所以光速的平方是一个极大的数字，所以只需要微小的质量就可以转化为极高的能量，这就是核裂变与核聚变威力巨大的原因。与裂变反应及聚变反应相同，放射性元素的衰变过程也会出现极其微小的质量亏损，而这些亏损的质量也会以能量的形式被释放出来。就以核电池中所使用的钚238来说吧，它的原子核由94个质子和144个中子所组成，在衰变的过程中会释放出两个质子和两个中子，从而衰变为铀234。而它所减少的质量就会以热量的形式被释放出来。

现在有了热量，只需要做一件事了，那就是把热能转化为电能，怎么转化呢？利用热电效应。

早在1821年，德国物理学家塞贝克就发现了“温差发电效应”，当时塞贝克将两种不同的导线连接在了一起，然后对其中的一根导线进行加热，结果发现接近这组导线的指南针发生了转动，而原因就是这组导线产生了电压，进而产生了电流和磁场。

塞贝克虽然发现了温差可以发电，但对于温差为什么能够发电，并没有完全弄懂，而现在我们已经弄懂了它的内在原理，所使用的材料也早已换成了更为高效的半导体材料，那么温差发电的原理到底是怎样的呢？首先我们要从温度的本质说起，所谓温度就是物体内部粒子运动速度的快慢，粒子运动速度越快，温度就越高，反之温度则越低，而粒子的运动是不会完全停止的，所以绝对零度也是无法实现的。

明白了温度的本质，就可以说说温差发电了，我们将一块半导体材料放置在两片金属之间，然后对一片金属进行加热，会发生什么呢？

受热一面的半导体材料内部粒子运动速度会加快，而另一面的粒子运动速度没有变化，所以运动速度快的粒子会朝向运动速度慢的粒子移动，很快，大量的粒子挤到了冷的一边，如果我们假设这些粒子带有负电，那么此时这块半导体材料也就带有负电了，这就是温差发电的内在原理，可见将热能转化为电能是一件比较容易的事情。所以装载在航天器上的核电池就是利用放射性原子的衰变产生热量，再利用温差发电原理将热能转化为电能，从而为航天器上设备提供能源。当然，目前所使用的核电池不过是一种过渡性质的能源设备，如果人类想要进一步 探索 宇宙深空，还需要为航天器配备更强大的能源系统才行。

半导体材料（semiconductor material） 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电阻率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。 半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代，锗在半导体中占主导地位，但 锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化铟、锑化铟、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。3.无定形半导体材料 用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用 。 特性和参数 半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。此外，半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。 半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别 ，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。 种类 常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）、 Ⅳ-Ⅵ族（如硫化铅、硒化铅等） 、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。 制备 不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。 所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上 ，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。 绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80％的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300 毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。 在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

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