Si(矽)與 SiC(碳化矽)功率半導體的差異:物性、耐壓、損耗、用途比較

SiC 是能隙約為矽的 3 倍、崩潰電場約為矽的 10 倍的寬能隙半導體。在相同耐壓下,漂移層可以做得更薄、雜質濃度可以更高,因此能大幅降低導通電阻,即使在高耐壓下也能使用 MOSFET 與蕭特基能障二極體這類快速元件。另一方面,矽的晶圓便宜、口徑大,製造技術也很成熟,因此在許多用途中至今仍是主力。

項目Si(矽)SiC(碳化矽)
能隙約 1.12 eV約 3.26 eV(4H-SiC)
崩潰電場約 0.3 MV/cm約 3 MV/cm(約為矽的 10 倍)
熱導率約 1.5 W/(cm·K)高(約為矽的 3 倍)
室溫的本質載子密度約 1×10¹⁰ cm⁻³非常小(約 10⁻⁹ cm⁻³)。即使在高溫下,由雜質決定的性質也容易維持
高耐壓下使用的主要元件IGBT。低耐壓則用功率 MOSFET 或超接面 MOSFETMOSFET 與蕭特基能障二極體。即使在高耐壓下,也能使用不利用少數載子的單極性元件
切換損耗IGBT 在關斷時的尾電流會使損耗增加,頻率難以提高沒有尾電流,二極體的逆向恢復也幾乎沒有,因此損耗小,能以高頻率運作
代表性耐壓從數十 V 到數 kV,範圍廣(高耐壓為 IGBT)以 650 V 至 3.3 kV 左右為主
高溫下的運作接面溫度一般最高約 150~175 ℃材料本身耐高溫。實際的上限多半由封裝、接合材料與閘極氧化膜的可靠度決定
晶圓與成本最大 300 mm 的大口徑晶圓便宜易得,製造技術也很成熟以 150 mm 為主,正朝 200 mm 轉移。晶體成長困難,晶圓與晶片都很昂貴
主要課題在高耐壓與高頻率下,已逼近材料物性的極限與閘極氧化膜之間界面的品質與可靠度、晶體缺陷造成的本體二極體劣化、快速切換造成的雜訊
主要用途家電與個人電腦的電源、工業用逆變器、車用的許多電源電路電動車的驅動用逆變器、車載充電器、快速充電器、太陽能發電的逆變器、鐵路

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

Si(矽)
以成本為優先時。用於數百 V 以下的電源,以及切換頻率不太高的大電流逆變器等。豐富的實績與充足的供應量也是優勢。
SiC(碳化矽)
想在高電壓下降低損耗時,或想讓設備更小更輕時。在電動車中,逆變器效率提升後,即使電池相同也能延長行駛距離。
使用時機的區分
SiC 元件很昂貴,因此從損耗降低以及冷卻裝置、被動元件小型化所帶來的系統整體效益,超過元件成本增加的用途開始,採用逐漸擴大。在數百 V 以下的電壓、特別想快速切換的用途中,GaN 也是選項之一。

常見問題

為什麼 SiC 比矽更適合高耐壓?

因為崩潰電場約為矽的 10 倍。相同耐壓所需的漂移層厚度可以減為約 10 分之 1,雜質濃度也能提高約 100 倍,因此能大幅降低導通電阻。

SiC MOSFET 會取代矽的 IGBT 嗎?

在電動車的逆變器等重視效率的用途中,取代正在進行。不過 SiC 元件很昂貴,因此在重視成本的用途與大電流的工業用途中,矽的 IGBT 仍會持續被廣泛使用。

SiC 的缺點是什麼?

包括晶圓與晶片昂貴、晶體缺陷多而難以提高良率,以及與閘極氧化膜之間界面的品質低、通道遷移率小等。雖然能快速切換,但也需要對策來應對電壓急遽變化所造成的雜訊與突波。

SiC 與 GaN 如何區分使用?

SiC 是垂直型元件,擅長高耐壓與大電流,適合電動車的逆變器與工業用途。GaN 以橫向型的 HEMT 為主,在約 650 V 以下的電壓能非常快速地切換,用於小型充電器與資料中心的電源。

理解度檢測

SiC(碳化矽)相較於Si更適合高耐壓功率元件的主要理由為下列何者?

  1. A因為崩潰電場約為Si的10倍
  2. B因為能隙比Si小
  3. C因為晶圓比Si便宜且容易大口徑化
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正確答案:A. 因為崩潰電場約為Si的10倍

SiC的能隙約3.3 eV,相當大,崩潰電場約為Si的10倍(約3 MV/cm)。在相同耐壓下,漂移層厚度可縮減為約1/10,雜質濃度可提高約100倍,因此漂移層的電阻理論上可降至數百分之一。熱傳導率也約為Si的3倍,耐高溫,在EV的逆變器等領域的採用日益擴大。另一方面,晶圓比Si昂貴,大口徑化(8吋)仍在進行中。

像SiC與GaN這樣,能隙比矽大的半導體之總稱為下列何者?

  1. A寬能隙半導體
  2. B窄能隙半導體
  3. C非晶半導體
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正確答案:A. 寬能隙半導體

能隙大致在2~3 eV以上的半導體稱為寬能隙半導體,代表有SiC(約3.3 eV)與GaN(約3.4 eV)。它們的崩潰電場高、本質載子少,即使在高溫下也容易運作,可用於高耐壓、低損耗的功率元件與高頻元件。能隙更大的Ga2O3(約4.8 eV)與鑽石(約5.5 eV)則稱為超寬能隙半導體。

在電動車的逆變器中使用SiC功率元件的主要優點為下列何者?

  1. A一定比矽便宜
  2. B損耗小,有助於延長續航里程與縮小冷卻裝置
  3. C不再需要馬達
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正確答案:B. 損耗小,有助於延長續航里程與縮小冷卻裝置

SiC元件的導通電阻與切換損耗小且耐高溫,因此可減少EV逆變器的損耗。損耗減少後,以相同電池可行駛的距離約可延長數%~1成左右,冷卻裝置與逆變器也能小型、輕量化。自2018年Tesla Model 3正式採用以來,普及持續推進,在800 V系統的高電壓電池上效果尤其大。課題是成本比Si IGBT高。

  1. SiC蕭特基能障二極體被用作逆變器等的續流二極體,其主要優點為下列何者?
  2. 作為SiC MOSFET的課題之一而為人所知的是下列何者?
  3. SiC MOSFET的本體二極體持續流通電流時,特性可能劣化,其已知的原因為下列何者?

前往功率半導體的練習題

相關名詞的解說

SiC(碳化矽)
能隙約 3.3 eV 的寬能隙半導體。絕緣崩潰電場高,用於高耐壓、低損耗的功率元件。
4H-SiC
SiC的晶體多型之一,主要用於功率元件。能隙約3.3 eV很大,電子遷移率也相對較高。
IGBT
絕緣閘極雙載子電晶體。以 MOS 閘極驅動,藉由導電度調變,即使在高耐壓下也能得到較低的導通電壓。
導通電阻
功率半導體在導通時,電流流經路徑的電阻。越小,導通時的損耗越少。
尾電流
IGBT 關閉時,因累積的少數載子而使電流無法立即歸零,像拖著尾巴般持續流動的電流。是關閉損耗的成因。
寬能隙半導體
能隙比矽更大的半導體。例如 SiC 與 GaN 等。絕緣崩潰電場高,耐高電壓、高溫下的動作。

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