低耗能、高效率與小型化，已經(jīng)成為電子產(chǎn)品發(fā)展的三大主流趨勢。只不過，這三大課題偏偏卻正是最令研發(fā)人員頭疼的問題。電子產(chǎn)品要走向小型化，不只產(chǎn)品的整體外觀，連內(nèi)部細(xì)微的元件也都必須一并小型化處理，然而為了提供裝置更高的能源效率，功率元件在體積的小型化方面，卻遇上了極大的瓶頸。要一次解決這樣的問題，便需要發(fā)展效率更高、性能更好，且體積也必須要小型化的新一代功率元件。

功率元件

電子裝置里的邏輯芯片，很容易就能透過先進(jìn)的晶圓微縮制程來縮小其體積。然而功率元件的微縮并不是那么地容易。具體來說，功率元件大致上就是在電子裝置中，用于轉(zhuǎn)換高電壓大功率的AC/DC轉(zhuǎn)換器，或是以開關(guān)電力為目的二極體與MOSFET，另外還有以模組化形式存在的輸出功率模組等。

在過去，功率元件的基本材料多半都是以硅（Si）為主，這也是傳統(tǒng)最為普遍的半導(dǎo)體材料，然而在近年來，這種硅功率元件開始遭遇到低耗能、高效能與小型化等兩大挑戰(zhàn)，這使得新一代的半導(dǎo)體材料碳化硅（Silicon Carbide；SiC）開始受到重視。

圖1 : 電腦的電源適配器小型化，碳化硅扮演幕后的重要功臣。

碳化硅是一種能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗、高效率與小型化目標(biāo)的功率元件，相較于硅半導(dǎo)體，碳化硅的特色更偏重于其功率損耗與高溫工作特性，都能優(yōu)于傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體元件，此種材料能夠降低能源的切換損耗，既使在高溫環(huán)境下，仍具備絕佳的工作特性，因此被看中將成為新一代的高功率元件材料。

碳化硅

碳化硅不論是在熱力學(xué)、化學(xué)以及物理學(xué)等方面，都是非常安定的化合物半導(dǎo)體，其參數(shù)對(duì)于功率元件來說十分重要。不只特性上超越了硅半導(dǎo)體的低電阻、高速及高溫工作，并且還可大幅減少電力在輸送到機(jī)器過程中，各種功率轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的能源損耗。近年來隨著碳化硅材料的應(yīng)用逐漸成熟，加上其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢，使得碳化硅已經(jīng)逐漸走向?qū)嵱没谠S多大功率的應(yīng)用，包括對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)有嚴(yán)苛要求的車用領(lǐng)域，以及生活周遭對(duì)于節(jié)能與小型化特別要求的應(yīng)用上，都已經(jīng)可以看到碳化硅半導(dǎo)體的身影。

碳化硅的物性

碳化硅SiC是一種由硅﹙Si﹚與碳﹙C﹚所構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。其結(jié)合力非常強(qiáng)大，使其不論在熱力學(xué)上、化學(xué)上與機(jī)械上都能夠呈現(xiàn)高度安定的狀態(tài)。純碳化硅是無色的，工業(yè)用碳化硅由于含有鐵質(zhì)等，因而呈現(xiàn)棕色至黑色，晶體上彩虹般光澤則是由于表面產(chǎn)生的二氧化硅鈍化層所導(dǎo)致。

圖2 : 三種主要的碳化硅多形體

碳化硅存在許多不同的晶體型態(tài)，由于相似晶體結(jié)構(gòu)的同質(zhì)多型體，使得碳化硅具有同質(zhì)多晶的特點(diǎn)。α-碳化硅（α-SiC）是這些多型體中最為常見的，在大于1700℃的溫度下形成，特色是具有六方晶體結(jié)構(gòu)。另外還有類似鉆石的β-碳化硅（β-SiC），這是在低于1700℃的條件下形成的。相較于α-碳化硅，β-碳化硅擁有更大比例的表面積，因此可用于非均相催化劑的負(fù)載體。至于用于打造功率元件的碳化硅，則以4H-SiC最為適合。

SiC功率元件的開發(fā)背景

碳化硅當(dāng)然不是一種全新的材料，在過去便已經(jīng)存在。然而若將碳化硅應(yīng)用于功率元件上，將可以達(dá)到傳統(tǒng)硅功率元件所無法達(dá)到的低電力轉(zhuǎn)換損耗。因此我們?nèi)绻f，功率元件的應(yīng)用使得碳化硅大放光彩一點(diǎn)都不為過。特別是在這個(gè)講求低功率耗損，強(qiáng)調(diào)節(jié)能課題的今日，碳化硅能以功率元件的身份粉墨登場，環(huán)保節(jié)能議題絕對(duì)功不可沒。

在傳統(tǒng)低電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，手持裝置的行動(dòng)化與小型化，因此能源轉(zhuǎn)換效率高于90％以上被視為是理所當(dāng)然的事。但對(duì)于非手持式的高電壓、大電流AC/DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，效率都還有很大的提升空間。在此同時(shí)，包括歐盟能源效率（EU Energy Efficiency）等各國節(jié)能規(guī)范，都已經(jīng)開始強(qiáng)烈各種電氣與電子設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換效率必須提高，更包括待機(jī)時(shí)的電力耗損必須有效降低。

這樣的狀況，使得這些電子元件的相關(guān)廠商，必須開始想辦法來降低電力轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的能源損耗，他們很明白，必須找出一種能夠超越硅半導(dǎo)體材料特性的物質(zhì)，才有辦法進(jìn)一步提升功率轉(zhuǎn)換的效率。而碳化硅，正是解決這些問題的答案之一（另一種有助于提高能源效率與小型化的材料為GaN氮化鎵，更適合應(yīng)用于新一代的通訊設(shè)備）。

解決能源問題

碳化硅已經(jīng)被認(rèn)為是解決能源效率問題的解決方案之一。若與IGBT（絕緣閘極雙極性電晶體）做比較，碳化硅功率元件約可減少85%的切換損失。除了可以大幅減少能源損耗之外，在其低阻抗、高速動(dòng)作、高溫動(dòng)作等方面，也可以為電子設(shè)備帶來整體應(yīng)用上的好處。

一般來說，碳化硅半導(dǎo)體元件都會(huì)與硅元件來進(jìn)行比較。通常對(duì)于功率元件來說，阻抗值會(huì)是一個(gè)與耗損直接相關(guān)的重要指標(biāo)。碳化硅的特性使得其阻抗值比硅元件來得更低，其意義在于若阻抗值相同，則碳化硅元件面積可以有效縮減。通常在進(jìn)行大電力的處理時(shí)，會(huì)將數(shù)個(gè)電晶體或二極體模組化來組成功率模組，在過去這樣的模組體積十分龐大，難以縮小。而現(xiàn)在，采用碳化硅功率元件后，整體體積比起硅元件，約可讓尺寸縮小達(dá)十分之一。

圖3 : 碳化硅的特性有助于減少損耗，近年來被研發(fā)作為解決能源問題的新方案。

高速動(dòng)作主要指的是碳化硅元件可藉由提高切換頻率，使得周邊元件包括變壓器、線圈、電容器等，不需采用像過去一樣的龐大體積，可以有效的縮減尺寸至原有的十分之一左右。而高溫動(dòng)作意義則在于可容許元件在更高溫的狀態(tài)下工作，這意味著元件本身不需攜帶過多的散熱片，整體的冷卻系統(tǒng)也可更為簡化，這些都有助于縮減原本龐大的裝置體積。

也因此，高轉(zhuǎn)換效率、高切換頻率、高速動(dòng)作，以及高溫動(dòng)作等特性，造就了碳化硅功率元件能在比起過去還要更小的尺寸條件之下，達(dá)到相同的能源轉(zhuǎn)換效率，并同時(shí)也為系統(tǒng)周邊產(chǎn)生相同的縮減體積效益。換句話說，對(duì)于更大電力的系統(tǒng)，碳化硅可以用于改善整體的電力轉(zhuǎn)換效率。

而對(duì)于現(xiàn)有的一般電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用，碳化硅則可以有效縮減系統(tǒng)整體體積，達(dá)到小型化的目的。這對(duì)于本文一開始所提到的，現(xiàn)今電子產(chǎn)品發(fā)展的三大趨勢：低耗能、高效率與小型化，可以起到非常大的作用。而這也正是碳化硅在這個(gè)節(jié)能與小型化當(dāng)?shù)赖哪甏?，?huì)被市場關(guān)注與重視的原因。

結(jié)語

碳化硅不論在熱力學(xué)、化學(xué)與物理學(xué)等方面，都是安定非常高的化合物半導(dǎo)體。正由于碳化硅的安定性，使得碳化硅應(yīng)用于功率半導(dǎo)體元件的時(shí)候，其參數(shù)條件都非常優(yōu)秀。碳化硅功率元件不只具備超越硅半導(dǎo)體的低電阻、高速工作及高溫工作特性，而且能有效降低電力輸送到機(jī)器或裝置之間時(shí)，各種功率轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的能源損耗。在過去，很多體積龐大的變壓器，現(xiàn)在體型都悄悄的縮小了，這正是由于碳化硅加持的緣故。碳化硅元件的市場正逐步邁入成長期，在不久的未來，碳化硅將能為我們的生活帶來更多的便利。