SiC 與 GaN 功率半導體的差異:耐壓、頻率、用途比較

碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)的能隙都比矽寬,在電力轉換上勝過矽。它們能承受高電場、切換速度快,損耗也小。區分使用的依據是電壓。SiC 適合電動車的逆變器等高電壓、大功率的用途。GaN 則擅長在相對較低的電壓下、切換頻率非常高的用途,用於小型快速充電器等。

項目SiCGaN
能隙約 3.3 eV(4H-SiC)。矽為 1.12 eV約 3.4 eV
崩潰電場約為矽的 10 倍約為矽的 10 倍
熱導率高。約為矽的 3 倍,容易散熱與矽相當,低於 SiC
代表性元件垂直型的 MOSFET 與蕭特基能障二極體以二維電子氣作為通道的橫向型 HEMT
代表性耐壓約 650 V 至 3.3 kV,也有更高的以 650 V 左右以下為主
切換頻率高(數十至數百 kHz)非常高(數百 kHz 至 MHz)
基板與晶圓SiC 晶圓昂貴,晶體成長也困難多半在矽晶圓上成長(GaN-on-Si)。便宜,可在矽晶圓廠製造。RF 用途也使用 GaN-on-SiC
設計上的課題閘極氧化膜的可靠度,以及較高的閘極驅動電壓必須避免常開(normally-on),且閘極可承受的電壓範圍小
主要用途電動車的驅動用逆變器、車載充電器、太陽能發電的逆變器、工業用馬達驅動、鐵路小型快速充電器與電源轉接器、資料中心的電源、5G 基地台的 RF 放大器

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

SiC
電壓與功率都很大,且效率與發熱很重要時。例如車載逆變器、太陽能發電與工業用的電源系統等。
GaN
電壓為中等程度,想以高切換頻率製作小而輕、效率高的轉換器時。例如充電器、電源轉接器、伺服器電源等。
兩者皆是
高速切換時,必須注意波形的紊亂(振鈴)與雜訊。佈線的佈局與閘極驅動,與元件本身同樣重要。

常見問題

SiC 與 GaN 哪一個比較好?

整體而言不能說哪一個比較好。SiC 適合電動車逆變器等高電壓、大功率的用途,GaN 適合小型充電器等在相對較低的電壓下、切換頻率非常高的用途。

為什麼在功率元件中 SiC 與 GaN 比矽更優越?

兩者的能隙都很寬,崩潰電場約為矽的 10 倍,因此能承受高電壓、切換速度快,損耗也小。

為什麼矽基板上的 GaN 比 SiC 便宜?

GaN 功率元件多半製作在矽晶圓上,而矽晶圓便宜,也能在既有的矽晶圓廠製造。SiC 晶圓昂貴,晶體成長也困難。

SiC 與 GaN 哪一個耐熱?

SiC。其熱導率約為矽的 3 倍,GaN 則與矽相當。

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。
GaN(氮化鎵)
能隙約 3.4 eV 的 III-V 族化合物半導體。用於藍光 LED 與高頻、功率元件。
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。
功率 MOSFET
能處理大電流與高電壓的 MOSFET。切換速度快,廣泛用於電源電路等。

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