未来功率元件会越来越依赖碳化硅？

低耗能、高效率与小型化，已经成为电子产品发展的三大主流趋势。只不过，这三大课题偏偏却正是最令研发人员头疼的问题。电子产品要走向小型化，不只产品的整体外观，连内部细微的元件也都必须一并小型化处理，然而为了提供装置更高的能源效率，功率元件在体积的小型化方面，却遇上了极大的瓶颈。要一次解决这样的问题，便需要发展效率更高、性能更好，且体积也必须要小型化的新一代功率元件。

功率元件

电子装置里的逻辑芯片，很容易就能透过先进的晶圆微缩制程来缩小其体积。然而功率元件的微缩并不是那么地容易。具体来说，功率元件大致上就是在电子装置中，用于转换高电压大功率的AC/DC转换器，或是以开关电力为目的二极体与MOSFET，另外还有以模组化形式存在的输出功率模组等。

在过去，功率元件的基本材料多半都是以硅（Si）为主，这也是传统最为普遍的半导体材料，然而在近年来，这种硅功率元件开始遭遇到低耗能、高效能与小型化等两大挑战，这使得新一代的半导体材料碳化硅（Silicon Carbide；SiC）开始受到重视。

图1 : 电脑的电源适配器小型化，碳化硅扮演幕后的重要功臣。

碳化硅是一种能够实现低功耗、高效率与小型化目标的功率元件，相较于硅半导体，碳化硅的特色更偏重于其功率损耗与高温工作特性，都能优于传统的硅半导体元件，此种材料能够降低能源的切换损耗，既使在高温环境下，仍具备绝佳的工作特性，因此被看中将成为新一代的高功率元件材料。

碳化硅

碳化硅不论是在热力学、化学以及物理学等方面，都是非常安定的化合物半导体，其参数对于功率元件来说十分重要。不只特性上超越了硅半导体的低电阻、高速及高温工作，并且还可大幅减少电力在输送到机器过程中，各种功率转换所导致的能源损耗。近年来随着碳化硅材料的应用逐渐成熟，加上其在半导体领域的独特优势，使得碳化硅已经逐渐走向实用化，在许多大功率的应用，包括对于产品品质有严苛要求的车用领域，以及生活周遭对于节能与小型化特别要求的应用上，都已经可以看到碳化硅半导体的身影。

碳化硅的物性

碳化硅SiC是一种由硅﹙Si﹚与碳﹙C﹚所构成的化合物半导体材料。其结合力非常强大，使其不论在热力学上、化学上与机械上都能够呈现高度安定的状态。纯碳化硅是无色的，工业用碳化硅由于含有铁质等，因而呈现棕色至黑色，晶体上彩虹般光泽则是由于表面产生的二氧化硅钝化层所导致。

图2 : 三种主要的碳化硅多形体

碳化硅存在许多不同的晶体型态，由于相似晶体结构的同质多型体，使得碳化硅具有同质多晶的特点。α-碳化硅（α-SiC）是这些多型体中最为常见的，在大于1700℃的温度下形成，特色是具有六方晶体结构。另外还有类似钻石的β-碳化硅（β-SiC），这是在低于1700℃的条件下形成的。相较于α-碳化硅，β-碳化硅拥有更大比例的表面积，因此可用于非均相催化剂的负载体。至于用于打造功率元件的碳化硅，则以4H-SiC最为适合。

SiC功率元件的开发背景

碳化硅当然不是一种全新的材料，在过去便已经存在。然而若将碳化硅应用于功率元件上，将可以达到传统硅功率元件所无法达到的低电力转换损耗。因此我们如果说，功率元件的应用使得碳化硅大放光彩一点都不为过。特别是在这个讲求低功率耗损，强调节能课题的今日，碳化硅能以功率元件的身份粉墨登场，环保节能议题绝对功不可没。

在传统低电压的DC/DC转换器应用中，手持装置的行动化与小型化，因此能源转换效率高于90％以上被视为是理所当然的事。但对于非手持式的高电压、大电流AC/DC转换应用中，效率都还有很大的提升空间。在此同时，包括欧盟能源效率（EU Energy Efficiency）等各国节能规范，都已经开始强烈各种电气与电子设备的能源转换效率必须提高，更包括待机时的电力耗损必须有效降低。

这样的状况，使得这些电子元件的相关厂商，必须开始想办法来降低电力转换过程中所产生的能源损耗，他们很明白，必须找出一种能够超越硅半导体材料特性的物质，才有办法进一步提升功率转换的效率。而碳化硅，正是解决这些问题的答案之一（另一种有助于提高能源效率与小型化的材料为GaN氮化镓，更适合应用于新一代的通讯设备）。

解决能源问题

碳化硅已经被认为是解决能源效率问题的解决方案之一。若与IGBT（绝缘闸极双极性电晶体）做比较，碳化硅功率元件约可减少85%的切换损失。除了可以大幅减少能源损耗之外，在其低阻抗、高速动作、高温动作等方面，也可以为电子设备带来整体应用上的好处。

一般来说，碳化硅半导体元件都会与硅元件来进行比较。通常对于功率元件来说，阻抗值会是一个与耗损直接相关的重要指标。碳化硅的特性使得其阻抗值比硅元件来得更低，其意义在于若阻抗值相同，则碳化硅元件面积可以有效缩减。通常在进行大电力的处理时，会将数个电晶体或二极体模组化来组成功率模组，在过去这样的模组体积十分庞大，难以缩小。而现在，采用碳化硅功率元件后，整体体积比起硅元件，约可让尺寸缩小达十分之一。

图3 : 碳化硅的特性有助于减少损耗，近年来被研发作为解决能源问题的新方案。

高速动作主要指的是碳化硅元件可藉由提高切换频率，使得周边元件包括变压器、线圈、电容器等，不需采用像过去一样的庞大体积，可以有效的缩减尺寸至原有的十分之一左右。而高温动作意义则在于可容许元件在更高温的状态下工作，这意味着元件本身不需携带过多的散热片，整体的冷却系统也可更为简化，这些都有助于缩减原本庞大的装置体积。

也因此，高转换效率、高切换频率、高速动作，以及高温动作等特性，造就了碳化硅功率元件能在比起过去还要更小的尺寸条件之下，达到相同的能源转换效率，并同时也为系统周边产生相同的缩减体积效益。换句话说，对于更大电力的系统，碳化硅可以用于改善整体的电力转换效率。

而对于现有的一般电力转换应用，碳化硅则可以有效缩减系统整体体积，达到小型化的目的。这对于本文一开始所提到的，现今电子产品发展的三大趋势：低耗能、高效率与小型化，可以起到非常大的作用。而这也正是碳化硅在这个节能与小型化当道的年代，会被市场关注与重视的原因。

结语

碳化硅不论在热力学、化学与物理学等方面，都是安定非常高的化合物半导体。正由于碳化硅的安定性，使得碳化硅应用于功率半导体元件的时候，其参数条件都非常优秀。碳化硅功率元件不只具备超越硅半导体的低电阻、高速工作及高温工作特性，而且能有效降低电力输送到机器或装置之间时，各种功率转换所导致的能源损耗。在过去，很多体积庞大的变压器，现在体型都悄悄的缩小了，这正是由于碳化硅加持的缘故。碳化硅元件的市场正逐步迈入成长期，在不久的未来，碳化硅将能为我们的生活带来更多的便利。