SiC 與 GaN 個具優勢發展領域大不同
SiC(Silicon Carbide 碳化矽
SiC是由矽(Si)與碳(C)組成,擁有低損耗高功率的特性非常適合用於高電壓及高功率的應用場景,如電動車、充電樁、太陽能及風力發電等綠能設備。
GaN(Galliun Nitride 氮化鎵)
GaN 擁有中等電壓(900V以下工作電壓) 並擁有較高的工作頻率(Mhz) 因此非常適用於如充電器,5G基地台,5G 通訊設備等應用。
SiC (Silicon Carbide)
GaN (Gallium Nitride)
能隙(Band Gap)
3.2eV
3.4eV
工作電壓(Voltage)
> 1200V
< 900V
特性(Characteristic)
耐高溫、高功率、高效率
耐高溫、高頻、高效率
應用領域(Appliances)
電動車、充電樁、綠能設備
中低功率、5G射頻設備、軍用雷達
磊晶技術使得SiC與 GaN 有天生上的應用差異
SiC 為”同質磊晶”技術擁有非常佳的品質及可靠度,另外在加上SiC 垂直元件因此在物理上又擁有功率密度高的特性,這也是為何電動車會選擇使用他的主要因素。
GaN 為橫向元件,生長在不同基板上(Substrate)為”異質磊晶”技術因此在製造上薄膜品質及可靠度相對較難掌握,因此應用在消費性產品,如快充充電器沒有太大問題,但應用在需要極高可靠度的工業應用或是電動車時則會有疑慮。
從基板(substrate)技術來看GaN 皆是採用 矽(Si)及碳化矽(SiC)為基板分別為 :
1. GaN on Si 磊晶技術
2. GaN on SiC 磊晶技術
因此,在基板的技術不同也延生出不同的應用領域,由於使用異質磊晶技術,因此在生產時其技術門檻及成本就大幅高於SiC 的同質磊晶技術。
目前異質磊晶技術門檻高,技術都掌握在國外少數大廠 Cree,ROHM手上,國內長晶廠商正積極佈局突破技術門檻預期指日可待。
GaN on Si
GaN on SiC
特色(Band Gap)
高頻,中低頻 成本較低 Si 長晶取得容易
性能佳 高頻,高溫 SiC 取得不易,成本高
常規尺寸
6吋
6吋
售價
500美金
1200美金
應用
• RF 射頻元件(RF GaN) • Power GaN
• 5G 基地台 • 電動出充電電池
何謂寬能隙(WGB Wide Band Gap) ?
半導體選用矽(Si)當材料,是因為其能隙(energy gap)大小適中,矽的帶隙(Band Gap) 為1.1eV, 在室溫下性質穩定,操控電壓無需太大。
然而在新的應用需求下,高電壓、大電流、高切換(switch)速度等,需要有更合適的材料來製做元件,而寬能隙材料(Wide band Gap Material)的物理特性可以完全滿足需要。
寬能隙(WBG) 是指帶隙在2~7eV之間的半導體,SiC(Silicon Carbide)與GaN(Gallium Nitride),它們的帶隙分別是(SiC)3.265eV 及 (GaN) 3.4eV。
SiC 及 GaN 的好處是以它為材料製成的元件能夠耐受的電壓,電流和溫度都較矽大幅提升,它們的擊穿電壓(breakdown voltage)非常高,且切換速度快、能耗低,這就構成了功率元件的基礎條件。
過去以矽為材料的功率元件包括二極體(bipolar),功率晶體(power MOSFET),絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)等,在未來的5G、電動汽車、再生能源、快速充電等新應用上,具備寬能隙(WBG)的 SiC 及GaN 將勢必取代已矽(Si) 為主的功率相關元器件。
功率元件MOSFET
從上述的討論中,我們可以清楚得知第三類半導體 SiC/ GaN 非常適合應用於功率相關元件,而在功率元件中又以MOSFET 為主要元器件,其特性具備 開/關,放大等特色,在許多的功率裝置(Power Device)使用非常多的MOSFET 來進行電源裝置設計。
哪麼什麼是電晶體? 他是如何工作的?我們使用MOSFET N Channel Enhancement model 來進行簡易的介紹~