什麼是功率半導體
為了轉換與控制電力，用來切換高電壓與大電流的半導體元件總稱，又稱功率元件。主要有二極體、功率 MOSFET、IGBT 與閘流體，材料有矽、SiC 與 GaN。
閱讀入門解說: 功率半導體是什麼？電動車和家電轉換電力的原理
日文名稱: パワー半導体
「功率半導體」出現在14領域的56道練習題中（功率半導體, 磊晶成長, 化合物半導體等）。
這個名詞所屬的領域: 功率半導體
與邏輯、記憶體 IC 的差異
功率半導體（又稱功率元件）是用來轉換與控制電力的半導體元件總稱，在交流轉直流的整流、直流轉交流的逆變器、改變電壓的 DC-DC 轉換器以及馬達驅動中，作為開關讓電流導通或截止。邏輯與記憶體 IC 以約 1 V 的電源電壓處理微小訊號，並靠微縮提高積集度；功率半導體則大約要承受數十伏特到數千伏特的電壓，以及數安培到數千安培的電流。為了阻擋高電壓，需要又厚又輕摻雜的漂移區，因此多採用電流從晶片正面流向背面的垂直型結構。產品有單一元件封裝的離散式半導體，也有把多顆晶片組裝在絕緣基板上、用來處理大電流的功率模組。
主要元件種類
二極體沒有控制端子，用於整流，以及在逆變器中提供續流路徑；除了 pn 接面二極體，還有幾乎沒有逆向恢復的蕭特基位障二極體。功率 MOSFET 只靠多數載子導通，切換速度快，矽元件主要用於數百伏特以下的電源電路。IGBT 是以 MOS 閘極驅動的雙極性元件，藉由導電度調變在高耐壓下仍能維持低導通電壓，在約 600 V 到 6.5 kV 的矽元件中佔主導地位，用於電動車逆變器、鐵路牽引與工業馬達驅動。閘流體是 pnpn 四層結構，一旦由閘極觸發導通，就會持續導通到電流低於保持電流為止，用於交流相位控制，以及高壓直流輸電（HVDC）等極高電壓、大電流的轉換。
材料：矽、SiC 與 GaN
目前使用最多的仍是矽（Si），因為有大尺寸晶圓與成熟的製程，成本低。碳化矽（SiC，能隙約 3.3 eV）與氮化鎵（GaN，約 3.4 eV）屬於寬能隙半導體，崩潰電場約為矽的十倍，因此能以更薄、摻雜更高的漂移區阻擋相同電壓，大幅降低導通電阻與切換損耗。SiC 主要以 600 V 級以上的 MOSFET 與蕭特基位障二極體，用於電動車逆變器、快速充電器與太陽能逆變器。GaN 元件多半是做在矽基板上的橫向 HEMT，用於數百伏特以下、能發揮高速切換優勢的小型充電器與伺服器電源等。
損耗與主要用途
損耗大致分為兩種：導通時電壓降造成的導通損耗，以及切換過程中電壓與電流重疊造成的切換損耗。MOSFET 的導通損耗是電流平方乘以導通電阻，IGBT 與二極體則約為導通電壓乘以電流；切換損耗則是每次切換損失的能量乘以切換頻率。損耗最後都會變成熱，因此需要熱阻低的封裝與良好的散熱，讓接面溫度保持在額定值以下（矽元件一般為 150–175 °C）。主要用途包括電動車與油電混合車驅動馬達的逆變器與車載充電器、個人電腦與伺服器的交換式電源、鐵路車輛的驅動裝置、冷氣等家電的變頻器、工業馬達驅動、太陽能與風力發電的電力轉換，以及輸電設備等。
練習功率半導體的題目
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？
- A因為崩潰電場約為Si的10倍
- B因為能隙比Si小
- C因為晶圓比Si便宜且容易大口徑化
在功率元件中，提高切換頻率時主要會增加的損耗為下列何者？
- A導通損耗
- B切換損耗
- C僅待機時漏電流造成的損耗
常見問題
功率半導體和邏輯 IC 有什麼不同？
邏輯 IC 與記憶體在低電壓下處理和儲存資訊，並積集大量電晶體。功率半導體處理的是電力本身，要切換數十伏特到數千伏特的電壓與大電流；為了阻擋高電壓，多半採用具有厚漂移區的垂直型結構，並以單一元件或模組的形式使用。
功率半導體有哪些種類？
主要有用於整流與續流的二極體（pn 接面二極體、蕭特基位障二極體）、適合高速切換的功率 MOSFET、適合高耐壓大電流的 IGBT，以及用於極高電壓、大電流轉換的閘流體。依用途的電壓、電流與切換頻率選用。
為什麼 SiC 與 GaN 功率元件比矽更有優勢？
SiC 與 GaN 的能隙寬，崩潰電場約為矽的十倍，能以更薄的漂移區阻擋相同電壓，因此導通電阻與切換損耗較低，可讓電源與轉換器更高效率、更小型；不過基板與元件的成本仍高於矽。
解析中的「功率半導體」
功率元件的閘極具有數nF等級的大電容，要快速切換，就必須以數A的電流在短時間內充放電。
關於功率半導體閘極驅動器的主要作用，下列何者正確？GaN功率元件可在數百kHz～MHz下高速切換，因此能縮小充電器內的變壓器與電容，在相同輸出下實現體積約減半的小型、高輸出充電器。
作為GaN功率元件採用日益增加的常見產品範例，下列何者正確？功率半導體是驅動馬達、電源電壓轉換等場合，以切換方式有效率地控制、轉換大功率的元件，包括二極體、MOSFET、IGBT、閘流體等。
關於功率半導體的主要作用，下列何者正確？在功率元件中，導通損耗與切換損耗會變成熱。
在功率元件上安裝散熱片（散熱器）的主要目的為下列何者？矽功率元件一般將最大接面溫度規定為150 ℃或175 ℃。
一般矽功率元件的最大接面溫度（Tj max）額定值，常見的是下列何者？
出現「功率半導體」的題目（56題）
- 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？
- 在功率元件中，提高切換頻率時主要會增加的損耗為下列何者？
- 熱阻為2 ℃/W的功率元件產生10 W的損耗時，溫度上升為多少？
- 關於功率半導體閘極驅動器的主要作用，下列何者正確？
- 功率元件被要求在閘極電壓為0 V時不導通電流的「常閉」特性，其主要理由為下列何者？
- 在SiC或GaN功率元件進行高速切換時，特別需要採取對策的問題為下列何者？
- 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？
- 在功率元件的閘極驅動電路中，加大閘極電阻值時的影響，下列何者正確？
- 在逆變器中，發生上下開關同時導通等短路時，表示功率元件不致損壞而能承受的時間之指標為下列何者？
- 作為GaN功率元件採用日益增加的常見產品範例，下列何者正確？
- 關於功率半導體的主要作用，下列何者正確？
- 在功率元件上安裝散熱片（散熱器）的主要目的為下列何者？
- 插入功率元件切換電路中的緩衝器（snubber）電路，其主要目的為下列何者？
- 一般矽功率元件的最大接面溫度（Tj max）額定值，常見的是下列何者？
- 在選擇功率元件時，額定電壓留有餘裕、使用耐壓高於實際使用電壓的元件（降額，derating）之主要理由為下列何者？