GaN、SiC功率元件帶來更輕巧的世界

2021-02-14 半導體行業資訊
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  眾人皆知,由於半導體製程的不斷精進,數位邏輯晶片的電晶體密度不斷增高,運算力不斷增強,使運算的取得愈來愈便宜,也愈來愈輕便,運算力便宜的代表是微電腦、個人電腦,而輕便的成功代表則是筆電、智慧型手機、平板。

  

  GaN、SiC、Si電源配接電路比較圖

  不過,姑且不論摩爾定律(Moors』 Law)能否持續下去,有些電子系統的輕便度仍待改進提升,例如筆電出門經常要帶著一個厚重佔體積的電源配接器(Power Adapter,俗稱變壓器,但變壓器僅是整個配接器中最主要的一個零件),而辦公居家用的桌上型監視器(Monitor)也有類似的情形,只是不外帶,但依然佔體積。

  電源配接電路之所以佔體積、重量,部分原因在於功率開關、切換器(Switch)是以矽(Si)材打造,由於今日半導體製程技術的主流大宗(數位邏輯電路)為矽,為了儘可能沿用現行技術與設備等以求降低成本,因而功率元件的材料也採行矽。

  然而以矽材製成的功率元件,其技術表現受到限制, 若期望矽材的功率開關承受更大的功率運作,則元件體積必須加大,進而使整個電源、電力系統增大增重。另外,矽材也難以在更高頻率切換運作,切換頻率若能提升,也能縮小元件體積。

  因此,近年來功率半導體業者更積極於其他材料的技術發展,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,後者有較矽為高的功率承受能力,若GaN、SiC功率半導體晶片(MOSFET、IGBT)的技術更成熟,以及更便宜普及,整個世界將會大不同。

  首先,各位最可見的筆電、桌上型監視器的大大外掛電源配接器將變小,甚至有機會完全縮到電子產品本體內,使攜帶更便利,或讓環境更簡潔。再者,桌上型電腦的電源供應器也可以縮小,同樣有助小體積、輕便化,資料中心(Datacenter)內的伺服器,其電源供應器一樣能縮小,使相同面積的機房、相同容積的機櫃,可以放入更多臺伺服器。

  類似的,電動機車、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,許多建築樓上架設的手機基地臺可是吃電怪獸,基地臺(大陸稱為基站,日本稱為基地局)的運作用的多是與冷氣機相同的220V電壓,將數十、數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,最終微弱的信號到每支手機上。因此,採行新材料的功率元件也能改善基地臺體積、重量、能源效率。

  另外,隨著行動通信從4G、B4G(Beyond 4G)到5G,無線頻率也愈來愈高,GaN功率元件有著10GHz~100GHz運作頻率(日本稱為動作周波數)的提升潛能,這是Si、SiC難以企及的。

  SiC雖不易達到10GHz以上運作、切換頻率,但功率承受力一般高於Si、GaN,將適合在大功率場合中應用,電動機車、油電混合車等僅為其小兒科應用,更大的應用包含電網電力設施、電氣化鐵路與火車、工控系統。

  持續延伸下去,包含無人車、無人機(UAV/Drone)、機器人等也一樣受惠,廣泛而言所有用電產品都有可能受惠,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」,是從人機介面的角度上重新考究,使人們較有機會親近與使用電子產品(此方面有部分助力也來自崇拜、飢餓行銷),而GaN、SiC材料的功率半導體,是從產業的根基進行改變,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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