SiC和GaN对传统Si功率电子的影响

众人皆知，由于半导体制程的不断精进，数位逻辑晶片的电晶体密度不断增高，运算力不断增强，使运算的取得愈来愈便宜，也愈来愈轻便，运算力便宜的代表是微电脑、个人电脑，而轻便的成功代表则是笔电、智慧型手机、平板。

不过，姑且不论摩尔定律（Moors’ Law）能否持续下去，有些电子系统的轻便度仍待改进提升，例如笔电出门经常要带着一个厚重占体积的电源配接器（Power Adapter，俗称变压器，但变压器仅是整个配接器中最主要的一个零件），而办公居家用的桌上型监视器（Monitor）也有类似的情形，只是不外带，但依然占体积。电源配接电路之所以占体积、重量，部分原因在于功率开关、切换器（Switch）是以矽（Si）材打造，由于今日半导体制程技术的主流大宗（数位逻辑电路）为矽，为了尽可能沿用现行技术与设备等以求降低成本，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，其技术表现受到限制， 若期望矽材的功率开关承受更大的功率运作，则元件体积必须加大，进而使整个电源、电力系统增大增重。另外，矽材也难以在更高频率切换运作，切换频率若能提升，也能缩小元件体积。因此，近年来功率半导体业者更积极于其他材料的技术发展，目前以氮化镓（GaN）、碳化矽（SiC）最受瞩目，前者有较矽为高的切换频率，后者有较矽为高的功率承受能力，若GaN、SiC功率半导体晶片（MOSFET、IGBT）的技术更成熟，以及更便宜普及，整个世界将会大不同。首先，各位最可见的笔电、桌上型监视器的大大外挂电源配接器将变小，甚至有机会完全缩到电子产品本体内，使携带更便利，或让环境更简洁。

再者，桌上型电脑的电源供应器也可以缩小，同样有助小体积、轻便化，资料中心（Datacenter）内的伺服器，其电源供应器一样能缩小，使相同面积的机房、相同容积的机柜，可以放入更多台伺服器。类似的，电动机车、油电混合车也同样受益，例如丰田（Toyota）的长销车种Camry，其油电混合版的概念车已尝试改用SiC功率元件，如此其能源效率可望提升10%，车体省下更多体积，车身也可以减轻若干重量。还有，许多建筑楼上架设的手机基地台可是吃电怪兽，基地台（大陆称为基站，日本称为基地局）的运作用的多是与冷气机相同的220V电压，将数十、数百瓦电力打到空气中，能量在空气路径的传递过程中不断衰减消散，最终微弱的信号到每支手机上。因此，采行新材料的功率元件也能改善基地台体积、重量、能源效率。

另外，随着行动通信从4G、B4G（Beyond 4G）到5G，无线频率也愈来愈高，GaN功率元件有着10GHz～100GHz运作频率（日本称为动作周波数）的提升潜能，这是Si、SiC难以企及的。SiC虽不易达到10GHz以上运作、切换频率，但功率承受力一般高于Si、GaN，将适合在大功率场合中应用，电动机车、油电混合车等仅为其小儿科应用，更大的应用包含电网电力设施、电气化铁路与火车、工控系统。持续延伸下去，包含无人车、无人机（UAV/Drone）、机器人等也一样受惠，广泛而言所有用电产品都有可能受惠，或诸多高频无线通信也都将受惠，如此将讲述不完。

由此可知，过往Steve Jobs常言的“改变世界”，是从人机介面的角度上重新考究，使人们较有机会亲近与使用电子产品（此方面有部分助力也来自崇拜、饥饿行销），而GaN、SiC材料的功率半导体，是从产业的根基进行改变，世界也同样受改变，但不同的是，人们将在无形、不易察觉下，享受到更短小轻便的益处。