Si vs. SiC vs. GaN 的比較
在電源應用領域,矽(Si)、碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)是目前三種主要的功率半導體材料。隨著電力電子技術的發展,SiC 和GaN 因為擁有更好的性能,逐漸成為高效能電源應用的熱門選擇。在本文中,我們將探討這些半導體材料在電力應用上的核心特性和優缺點。
1. 矽(Si, Silicon)
矽是最成熟且廣泛應用的功率半導體材料,涵蓋從低電壓到中電壓(小於900V)的大多數電源應用。矽半導體的帶隙(Bandgap)為 1.12eV,低於 SiC 和 GaN,臨界電場強度(Breakdown Field)為 0.3MV/cm(較低),電子遷移率(Electron Mobility)為 1500cm²/Vs(適中),導熱係數(Thermal Conductivity)為 1.5W/cm·K(中等),開關頻率通常低於 100kHz(適中)。
優點
缺點
- 耐高溫與高電壓能力較差
- 導通電阻(RDS(on))較高,影響效率
- 開關速度較慢(<100 kHz),導致高頻應用中損耗較大
- 在緊湊型或高密度設計中效率較低
應用
2. 碳化矽(SiC, Silicon Carbide)
SiC 是寬帶隙(Wide Bandgap, WBG)半導體材料,適合中高壓、高溫和高頻應用,例如電動車與工業電源轉換。SiC 的帶隙為 3.26eV(比矽高約3倍),臨界電場強度為 3MV/cm(比矽高約 10倍),電子遷移率為 900cm²/Vs(比矽略低),導熱係數為 4.9W/cm·K(比矽高3倍),開關頻率可達 MHz 級別。
優點
- 高耐壓的優點,可用於 600V~3.3kV 高壓應用
- 高溫耐受性,可在 200℃ 以上運行
- 低開關損耗,開關速度比矽更快,適用於高頻應用
- 低導通電阻(RDS(on)),可降低能量損耗,提高效率
缺點
- 成本較高的缺點,SiC晶圓的製造成本仍比矽高
- 驅動電壓需求較高
- 需要15V~20V的閘極驅動電壓
- 精心設計 PCB 佈局來降低 EMI 和振鈴
- 短路耐受能力有限(~ 5μs)
應用
Infineon CoolSiC™ G2 1200V 碳化矽 MOSFET
Microchip 3300 V 碳化矽 (SiC) MOSFET
3. 氮化鎵(GaN, Gallium Nitride)
GaN 是另一種寬帶隙材料,特別適合高頻與高功率密度應用,開關頻率可達 MHz 甚至 GHz 級別。這使其非常適合小型化電力系統。GaN 的帶隙為 3.4eV(比矽高約 3倍),臨界電場強度為 3.3MV/cm(比矽高約 10倍),電子遷移率為 2000cm²/Vs(比 SiC 和矽更高),導熱係數為 2.5W/cm·K(比矽高,但低於SiC)。
優點
- 極高開關速度,適用於高頻應用(MHz級)
- 比矽 MOSFET 更低的開關能量損耗
- 減小電源體積,提高功率密度
- 低導通電阻(RDS(on)),可提升效率,降低熱損耗
缺點
- 耐電壓較低,目前主要用於 < 650V 應用
- 導熱係數低於 SiC
- 極短的短路耐受時間(< 1μs)
- 敏感閘極電壓(通常 < 10V)
應用
- GaN 的適用應用領域包括快速充電器與 USB-C PD 電源(如 65W、100W GaN 充電器)、高頻DC-DC轉換器(如伺服電源、電信基地台電源)
- 數據中心與伺服器電源(提高功率密度與效率)
- 5G無線通訊與射頻應用(如 GaN RF 放大器)
關鍵參數比較:Si vs. SiC vs. GaN
結論
每種半導體材料都滿足不同的應用需求:
- Si 適用於低成本、低電壓、低頻應用
- SiC 則適用於高電壓、高效率、大功率應用
- GaN 適用於高頻、高功率密度應用
傳統的 Si 功率元件雖然仍然主導著低壓和中功率應用,但隨著 SiC 和 GaN 的技術成熟和成本的下降,它們在電動車快速充電器、再生能源系統和資料中心電力傳輸等下一代應用中迅速普及。