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 MOSFET | MOSFET 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。