GaN、SiC功率元件帶來(lái)更輕巧的世界

　　眾人皆知，由于半導體制程的不斷精進(jìn)，數位邏輯晶片的電晶體密度不斷增高，運算力不斷增強，使運算的取得愈來(lái)愈便宜，也愈來(lái)愈輕便，運算力便宜的代表是微電腦、個(gè)人電腦，而輕便的成功代表則是筆電、智慧型手機、平板。

　　GaN、SiC、Si電源配接電路比較圖 (source：www.nedo.go.jp)

　　不過(guò)，姑且不論摩爾定律(Moors’ Law)能否持續下去，有些電子系統的輕便度仍待改進(jìn)提升，例如筆電出門(mén)經(jīng)常要帶著(zhù)一個(gè)厚重占體積的電源配接器(Power Adapter，俗稱(chēng)變壓器，但變壓器僅是整個(gè)配接器中最主要的一個(gè)零件)，而辦公居家用的桌上型監視器(Monitor)也有類(lèi)似的情形，只是不外帶，但依然占體積。

　　電源配接電路之所以占體積、重量，部分原因在于功率開(kāi)關(guān)、切換器(Switch)是以矽(Si)材打造，由于今日半導體制程技術(shù)的主流大宗(數位邏輯電路)為矽，為了盡可能沿用現行技術(shù)與設備等以求降低成本，因而功率元件的材料也采行矽。

　　然而以矽材制成的功率元件，其技術(shù)表現受到限制， 若期望矽材的功率開(kāi)關(guān)承受更大的功率運作，則元件體積必須加大，進(jìn)而使整個(gè)電源、電力系統增大增重。另外，矽材也難以在更高頻率切換運作，切換頻率若能提升，也能縮小元件體積。

　　因此，近年來(lái)功率半導體業(yè)者更積極于其他材料的技術(shù)發(fā)展，目前以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)最受矚目，前者有較矽為高的切換頻率，后者有較矽為高的功率承受能力，若GaN、SiC功率半導體晶片(MOSFET、IGBT)的技術(shù)更成熟，以及更便宜普及，整個(gè)世界將會(huì )大不同。

　　首先，各位最可見(jiàn)的筆電、桌上型監視器的大大外掛電源配接器將變小，甚至有機會(huì )完全縮到電子產(chǎn)品本體內，使攜帶更便利，或讓環(huán)境更簡(jiǎn)潔。再者，桌上型電腦的電源供應器也可以縮小，同樣有助小體積、輕便化，資料中心(Datacenter)內的伺服器，其電源供應器一樣能縮小，使相同面積的機房、相同容積的機柜，可以放入更多臺伺服器。

　　類(lèi)似的，電動(dòng)機車(chē)、油電混合車(chē)也同樣受益，例如豐田(Toyota)的長(cháng)銷(xiāo)車(chē)種Camry，其油電混合版的概念車(chē)已嘗試改用SiC功率元件，如此其能源效率可望提升10%，車(chē)體省下更多體積，車(chē)身也可以減輕若干重量。

　　還有，許多建筑樓上架設的手機基地臺可是吃電怪獸，基地臺(大陸稱(chēng)為基站，日本稱(chēng)為基地局)的運作用的多是與冷氣機相同的220V電壓，將數十、數百瓦電力打到空氣中，能量在空氣路徑的傳遞過(guò)程中不斷衰減消散，最終微弱的信號到每支手機上。因此，采行新材料的功率元件也能改善基地臺體積、重量、能源效率。

　　另外，隨著(zhù)行動(dòng)通信從4G、B4G(Beyond 4G)到5G，無(wú)線(xiàn)頻率也愈來(lái)愈高，GaN功率元件有著(zhù)10GHz～100GHz運作頻率(日本稱(chēng)為動(dòng)作周波數)的提升潛能，這是Si、SiC難以企及的。

　　SiC雖不易達到10GHz以上運作、切換頻率，但功率承受力一般高于Si、GaN，將適合在大功率場(chǎng)合中應用，電動(dòng)機車(chē)、油電混合車(chē)等僅為其小兒科應用，更大的應用包含電網(wǎng)電力設施、電氣化鐵路與火車(chē)、工控系統。

　　持續延伸下去，包含無(wú)人車(chē)、無(wú)人機(UAV/Drone)、機器人等也一樣受惠，廣泛而言所有用電產(chǎn)品都有可能受惠，或諸多高頻無(wú)線(xiàn)通信也都將受惠，如此將講述不完。

　　由此可知，過(guò)往Steve Jobs常言的“改變世界”，是從人機介面的角度上重新考究，使人們較有機會(huì )親近與使用電子產(chǎn)品(此方面有部分助力也來(lái)自崇拜、饑餓行銷(xiāo))，而GaN、SiC材料的功率半導體，是從產(chǎn)業(yè)的根基進(jìn)行改變，世界也同樣受改變，但不同的是，人們將在無(wú)形、不易察覺(jué)下，享受到更短小輕便的益處。