SiC和GaN對(duì)傳統(tǒng)Si功率電子的影響

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(lái)愈便宜，也愈來(lái)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(guò)，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(kāi)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(kāi)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(lái)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(jiàn)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(zhǎng)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(guò)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)通信從4G、B4G（Beyond 4G）到5G，無(wú)線頻率也愈來(lái)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(wú)人車、無(wú)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(wú)線通信也都將受惠，如此將講述不完。

由此可知，過(guò)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(lái)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(wú)形、不易察覺(jué)下，享受到更短小輕便的益處。