探討功率器件的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

功率器件(power device)是一個(gè)大的半導(dǎo)體器件族群，從最早的BJT(Bipolar Junction Transistor，雙極性接面晶體管)、GTO(Gate Turn-off Thyristor，柵關(guān)斷閘流體)到現(xiàn)在的Power MOSFET、IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管)以及正在加溫的SiC(Silicon Carbide，碳化硅)與GaN(Gallium Nitride，氮化鎵)寬帶隙(wide band gap)材質(zhì)的功率器件都屬于此族群。

由于以前器件的存在，多是分離式器件(discrete device)或模塊(module)形式，而不是更習(xí)見的集成電路封裝；其生產(chǎn)工廠多為傳統(tǒng)的6吋廠、8吋廠，而使用制程最多止于0.13/0.11微米，因此比較少接受到關(guān)注。

但是由于電動車、油電混合車(新能源車)、快速充電、無線充電等應(yīng)用正在快速興起，而6吋廠、8吋廠的機(jī)器設(shè)備早已停產(chǎn)、晶圓供應(yīng)受12吋晶圓需求排擠，器件供應(yīng)增加有限，未來幾年內(nèi)的市場榮景可期，因此重新又受到注目。

除了正在擴(kuò)展中的寬帶隙功率器件外，其它的功率器件都是硅基的傳統(tǒng)器件，只是以結(jié)構(gòu)、載子來區(qū)別其功能。到2000年左右，器件的主要結(jié)構(gòu)演進(jìn)大致完成，以后只是漸近式的改良。

功率器件主要的兩個(gè)特性為操作頻率和耐受功率。以頻率為橫軸、功率為縱軸作圖，可以約略把這些功率器件存活的生態(tài)區(qū)描述一、二。最接近原點(diǎn)的是最原始的BJT—低頻較低功率。于其上的是GTO—低頻高功率。于其右的是中頻高功率的IGBT，頻率可達(dá)70Hz，功率可達(dá)10W。再右邊些，可以高頻運(yùn)行的是Power MOSFET，頻率可達(dá)1MHz，功率卻只能在1W上下。

使用寬帶隙的材料能使這些傳統(tǒng)功率器件的性能再上層樓。它們比硅基器件的共同好處是其功耗減少、散熱較佳、晶粒較小。此外，SiC的耐受功率較硅基的相同器件可以高1個(gè)數(shù)量級以上，而GaN主要表現(xiàn)在較高的頻率，它也是5G通訊中的理想器件。目前SiC已在6吋廠開始量產(chǎn)，準(zhǔn)備移往8吋廠，GaN還在6吋廠。

在未來預(yù)計(jì)會快速竄起的新能源車中，半導(dǎo)體器件的成本會倍增至600~700美元之間。車輛所使用之半導(dǎo)體大致有控制器、傳感器與功率器件三大塊，其中功率器件由汽車至新能源車的成長約有15倍。

新能源車異于傳統(tǒng)汽車的核心技術(shù)為電機(jī)驅(qū)動、電池和電子控制。電機(jī)驅(qū)動又分成三大部分：傳動機(jī)構(gòu)、電機(jī)和逆變器—將直流電變?yōu)榻涣麟姷脑O(shè)備，逆變器中使用IGBT，約占整個(gè)電機(jī)驅(qū)動成本的一半。另外在充電樁也會使用到Power MOSFET和IGBT。

功率器件雖然少上媒體焦點(diǎn)，在未來興起的市場仍有機(jī)會占一席之地，但這事情極講究市場策略。譬如IGBT，雖然新能源車商機(jī)龐大，但事涉安全，產(chǎn)品驗(yàn)證期非常長，直接進(jìn)攻恐怕要枵腹了。

不如在驗(yàn)證期的同時(shí)，先往工控和白色家電的市場先取得活命的奶油與面包。另外，功率器件的應(yīng)用與規(guī)格品類繁多，利用此復(fù)雜的生態(tài)系取得一個(gè)棲息地以徐圖發(fā)展也是一策。