電動汽車、智能電網、核電、太陽能、風能等能源領域以及航海、航空、航天、高速軌道交通等技術的不斷髮展，對功率器件的性能提出了更高的要求。目前，基於硅材料的功率器件已經隨其結構設計和製造工藝的日趨完善而接近由材料本身特性所決定的理論極限，第三代半導體材料能夠替代第一代半導體材料硅，滿足未來更高需求，將在工業界獲得更廣泛的應用。
第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及更高抗輻射能力，適合於製作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，代表材料有碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁。目前，最成熟和應用潛力最大的第三代半導體材料為碳化硅，其各項指標均優於硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達600℃，遠高於硅器件工作溫度。
一、碳化硅在電動汽車領域的應用
碳化硅作為未來電動汽車充電模塊和電動模塊相關重要核心的先進電子材料，能實現綠色出行的能源供應、低碳、智能、可持續發展，最終搶佔未來產業發展制高點。碳化硅器件對充電模塊性能提升主要體現在三方面：（1）提高頻率，簡化供電網絡；（2）降低損耗，減少溫升。（3）縮小體積，提升效率。
碳化硅器件能提高純電動汽車或混合動力汽車功率轉化性能。電動汽車的電動模塊中電動機是有源負載，其轉速範圍很寬，且在行駛過程中需要頻繁地加速和減速，工作條件比一般的調速系統複雜，採用碳化硅功率器件可有效提高其驅動系統，獲得更高的擊穿電壓、更低的開啟電阻、更大的熱導率以及能在更高溫度下穩定工作，原來幾公斤的散熱片可大幅減少甚至直接刪去，將引起電動汽車設計方面革命性的變化，能降低電動汽車或混合動力汽車功率轉化能耗損失20%，對大幅提高電動汽車續航里程具有重要意義。
圖一 碳化硅應用於電動汽車
二、碳化硅在新型輸電系統中的應用
碳化硅基功率開關由於具有極低的開啟態電阻，並且能應用於高壓、高溫、高頻場合，是硅基器件的理想替代者，如果使用碳化硅功率模塊，與使用硅功率電源裝置相比，由開關損失引起的功率損耗可降低5倍以上，對未來電網形態和能源戰略調整將產生重大影響，其體積與重量減小40%以上。碳化硅器件規模應用於固態斷路器、換流閥、有源濾波等已有裝備為實現智能電網、加速我國能源戰略轉型提供核心元器件及關鍵裝備等支撐。
圖二 碳化硅基功率開關
三、碳化硅材料在太陽能等領域的應用
碳化硅功率器件針對太陽能逆變器、不間斷電源設備以及風能電機驅動器等大功率模組件的應用進行設計，以更小尺寸、更低物料成本以及更高的效率。新標準太陽能硅基逆變器典型的轉換效率接近96%，而採用碳化硅基逆變器的平均效率能提高到97.5%，相當於減少25%的逆變器損耗，碳化硅基逆變器在風力發電領域可提高轉換效率20%。
圖三 碳化硅基逆變器
四、碳化硅材料在LED照明領域的應用
LED光電器件的核心材料碳化硅和氮化鎵等第三代半導體材料技術及應用正在成為全球半導體產業新的戰略高地。碳化硅LED照明設備能將原LED燈使用數量下降1/3，成本下降40～50%，而亮度卻提高兩倍，導熱能力提高10倍以上。LED照明是未來光照領域的發展方向，日常生活中人們可見到的各類信號燈、車內照明、信息屏、彩色顯示設備，白光照明現在都利用碳化硅LED半導體照明，能夠實現更高的電光轉換效率，達到大幅降低成本和減少汙染的目的。
圖四 碳化硅LED燈
五、碳化硅材料在新型反應堆燃料棒上的應用
核電廠產生的能量來自於燃料元件，核裂變產生的放射性裂變產物主要滯留在燃料元件內部，因此，燃料元件是反應堆的核心部件，直接影響核反應堆的經濟性和安全性。碳化硅作為重要包殼和基體材料的各種結構新穎、功能完備的燃料元件模型不斷被設計出來，目前高溫氣冷堆碳化硅包殼燃料元件已經開始走向商業化，其它含碳化硅材料燃料元件的研發也將加快步伐，除了燃料元件外，碳化硅材料在反應堆結構材料，堆內管道內襯等方面也有著廣闊的應用前景。可以預見，隨著核安全性要求的不斷提高，碳化硅材料在核能領域將獲得更加廣泛的應用，發揮更加重要的作用。
鑑於碳化硅材料各方面的優良特性，其有望成為最重要的第三代半導體材料，未來會全面取代目前廣泛應用的硅半導體材料，其應用領域更廣，潛在市場更大，關係到國家經濟的長遠發展和戰略安全。隨著我國新能源汽車的推廣和電網的升級改造，碳化硅材料將在電動汽車充電樁、提高電動汽車能源效率、智能電網建設、計算機領域等諸多方面得到大規模應用。
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