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。