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SiC和GaN对传统Si功率电子的影响

作者: 发布时间:2019-05-31 09:02

众人皆知,由于半导体制程的不断精进,数位逻辑晶片的电晶体密度不断增高,运算力不断增强,使运算的取得愈来愈便宜,也愈来愈轻便,运算力便宜的代表是微电脑、个人电脑,而轻便的成功代表则是笔电、智慧型手机、平板。

不过,姑且不论摩尔定律(Moors’ Law)能否持续下去,有些电子系统的轻便度仍待改进提升,例如笔电出门经常要带着一个厚重占体积的电源配接器(Power Adapter,俗称变压器,但变压器仅是整个配接器中最主要的一个零件),而办公居家用的桌上型监视器(Monitor)也有类似的情形,只是不外带,但依然占体积。电源配接电路之所以占体积、重量,部分原因在于功率开关、切换器(Switch)是以矽(Si)材打造,由于今日半导体制程技术的主流大宗(数位逻辑电路)为矽,为了尽可能沿用现行技术与设备等以求降低成本,因而功率元件的材料也采行矽。

然而以矽材制成的功率元件,其技术表现受到限制, 若期望矽材的功率开关承受更大的功率运作,则元件体积必须加大,进而使整个电源、电力系统增大增重。另外,矽材也难以在更高频率切换运作,切换频率若能提升,也能缩小元件体积。因此,近年来功率半导体业者更积极于其他材料的技术发展,目前以氮化镓(GaN)、碳化矽(SiC)最受瞩目,前者有较矽为高的切换频率,后者有较矽为高的功率承受能力,若GaN、SiC功率半导体晶片(Mosfetigbt)的技术更成熟,以及更便宜普及,整个世界将会大不同。首先,各位最可见的笔电、桌上型监视器的大大外挂电源配接器将变小,甚至有机会完全缩到电子产品本体内,使携带更便利,或让环境更简洁。

再者,桌上型电脑的电源供应器也可以缩小,同样有助小体积、轻便化,资料中心(Datacenter)内的伺服器,其电源供应器一样能缩小,使相同面积的机房、相同容积的机柜,可以放入更多台伺服器。类似的,电动机车、油电混合车也同样受益,例如丰田(Toyota)的长销车种Camry,其油电混合版的概念车已尝试改用SiC功率元件,如此其能源效率可望提升10%,车体省下更多体积,车身也可以减轻若干重量。还有,许多建筑楼上架设的手机基地台可是吃电怪兽,基地台(大陆称为基站,日本称为基地局)的运作用的多是与冷气机相同的220V电压,将数十、数百瓦电力打到空气中,能量在空气路径的传递过程中不断衰减消散,最终微弱的信号到每支手机上。因此,采行新材料的功率元件也能改善基地台体积、重量、能源效率。

另外,随着行动通信从4G、B4G(Beyond 4G)到5G,无线频率也愈来愈高,GaN功率元件有着10GHz~100GHz运作频率(日本称为动作周波数)的提升潜能,这是Si、SiC难以企及的。SiC虽不易达到10GHz以上运作、切换频率,但功率承受力一般高于Si、GaN,将适合在大功率场合中应用,电动机车、油电混合车等仅为其小儿科应用,更大的应用包含电网电力设施、电气化铁路与火车、工控系统。持续延伸下去,包含无人车、无人机(UAV/Drone)、机器人等也一样受惠,广泛而言所有用电产品都有可能受惠,或诸多高频无线通信也都将受惠,如此将讲述不完。

由此可知,过往Steve Jobs常言的“改变世界”,是从人机介面的角度上重新考究,使人们较有机会亲近与使用电子产品(此方面有部分助力也来自崇拜、饥饿行销),而GaN、SiC材料的功率半导体,是从产业的根基进行改变,世界也同样受改变,但不同的是,人们将在无形、不易察觉下,享受到更短小轻便的益处。