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SiC和GaN對(duì)傳統(tǒng)Si功率電子的影響

MWol_gh_030b761 ? 來源:YXQ ? 2019-05-30 17:08 ? 次閱讀
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眾人皆知,由于半導(dǎo)體制程的不斷精進(jìn),數(shù)位邏輯晶片的電晶體密度不斷增高,運(yùn)算力不斷增強(qiáng),使運(yùn)算的取得愈來愈便宜,也愈來愈輕便,運(yùn)算力便宜的代表是微電腦、個(gè)人電腦,而輕便的成功代表則是筆電、智慧型手機(jī)、平板。

不過,姑且不論摩爾定律(Moors’ Law)能否持續(xù)下去,有些電子系統(tǒng)的輕便度仍待改進(jìn)提升,例如筆電出門經(jīng)常要帶著一個(gè)厚重占體積的電源配接器(Power Adapter,俗稱變壓器,但變壓器僅是整個(gè)配接器中最主要的一個(gè)零件),而辦公居家用的桌上型監(jiān)視器(Monitor)也有類似的情形,只是不外帶,但依然占體積。電源配接電路之所以占體積、重量,部分原因在于功率開關(guān)、切換器(Switch)是以矽(Si)材打造,由于今日半導(dǎo)體制程技術(shù)的主流大宗(數(shù)位邏輯電路)為矽,為了盡可能沿用現(xiàn)行技術(shù)與設(shè)備等以求降低成本,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,其技術(shù)表現(xiàn)受到限制, 若期望矽材的功率開關(guān)承受更大的功率運(yùn)作,則元件體積必須加大,進(jìn)而使整個(gè)電源、電力系統(tǒng)增大增重。另外,矽材也難以在更高頻率切換運(yùn)作,切換頻率若能提升,也能縮小元件體積。因此,近年來功率半導(dǎo)體業(yè)者更積極于其他材料的技術(shù)發(fā)展,目前以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)最受矚目,前者有較矽為高的切換頻率,后者有較矽為高的功率承受能力,若GaN、SiC功率半導(dǎo)體晶片(MOSFET、IGBT)的技術(shù)更成熟,以及更便宜普及,整個(gè)世界將會(huì)大不同。首先,各位最可見的筆電、桌上型監(jiān)視器的大大外掛電源配接器將變小,甚至有機(jī)會(huì)完全縮到電子產(chǎn)品本體內(nèi),使攜帶更便利,或讓環(huán)境更簡(jiǎn)潔。

再者,桌上型電腦的電源供應(yīng)器也可以縮小,同樣有助小體積、輕便化,資料中心(Datacenter)內(nèi)的伺服器,其電源供應(yīng)器一樣能縮小,使相同面積的機(jī)房、相同容積的機(jī)柜,可以放入更多臺(tái)伺服器。類似的,電動(dòng)機(jī)車、油電混合車也同樣受益,例如豐田(Toyota)的長銷車種Camry,其油電混合版的概念車已嘗試改用SiC功率元件,如此其能源效率可望提升10%,車體省下更多體積,車身也可以減輕若干重量。還有,許多建筑樓上架設(shè)的手機(jī)基地臺(tái)可是吃電怪獸,基地臺(tái)(大陸稱為基站,日本稱為基地局)的運(yùn)作用的多是與冷氣機(jī)相同的220V電壓,將數(shù)十、數(shù)百瓦電力打到空氣中,能量在空氣路徑的傳遞過程中不斷衰減消散,最終微弱的信號(hào)到每支手機(jī)上。因此,采行新材料的功率元件也能改善基地臺(tái)體積、重量、能源效率。

另外,隨著行動(dòng)通信4G、B4G(Beyond 4G)到5G,無線頻率也愈來愈高,GaN功率元件有著10GHz~100GHz運(yùn)作頻率(日本稱為動(dòng)作周波數(shù))的提升潛能,這是Si、SiC難以企及的。SiC雖不易達(dá)到10GHz以上運(yùn)作、切換頻率,但功率承受力一般高于Si、GaN,將適合在大功率場(chǎng)合中應(yīng)用,電動(dòng)機(jī)車、油電混合車等僅為其小兒科應(yīng)用,更大的應(yīng)用包含電網(wǎng)電力設(shè)施、電氣化鐵路與火車、工控系統(tǒng)。持續(xù)延伸下去,包含無人車、無人機(jī)(UAV/Drone)、機(jī)器人等也一樣受惠,廣泛而言所有用電產(chǎn)品都有可能受惠,或諸多高頻無線通信也都將受惠,如此將講述不完。

由此可知,過往Steve Jobs常言的“改變世界”,是從人機(jī)介面的角度上重新考究,使人們較有機(jī)會(huì)親近與使用電子產(chǎn)品(此方面有部分助力也來自崇拜、饑餓行銷),而GaN、SiC材料的功率半導(dǎo)體,是從產(chǎn)業(yè)的根基進(jìn)行改變,世界也同樣受改變,但不同的是,人們將在無形、不易察覺下,享受到更短小輕便的益處。

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原文標(biāo)題:SiC和GaN對(duì)傳統(tǒng)Si功率電子的影響

文章出處:【微信號(hào):gh_030b7610d46c,微信公眾號(hào):GaN世界】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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