低耗能、高效率與小型化，已經成為電子產品發展的三大主流趨勢。只不過，這三大課題偏偏卻正是最令研發人員頭疼的問題。電子產品要走向小型化，不只產品的整體外觀，連內部細微的元件也都必須一併小型化處理，然而為了提供裝置更高的能源效率，功率元件在體積的小型化方面，卻遇上了極大的瓶頸。要一次解決這樣的問題，便需要發展效率更高、性能更好，且體積也必須要小型化的新一代功率元件。

功率元件

電子裝置裡的邏輯晶片，很容易就能透過先進的晶圓微縮製程來縮小其體積。然而功率元件的微縮並不是那麼地容易。具體來說，功率元件大致上就是在電子裝置中，用於轉換高電壓大功率的AC/DC轉換器，或是以開關電力為目的二極體與MOSFET，另外還有以模組化形式存在的輸出功率模組等。

在過去，功率元件的基本材料多半都是以矽（Si）為主，這也是傳統最為普遍的半導體材料，然而在近年來，這種矽功率元件開始遭遇到低耗能、高效能與小型化等兩大挑戰，這使得新一代的半導體材料碳化矽（Silicon Carbide；SiC）開始受到重視。

圖1 : 電腦的電源適配器小型化，碳化矽扮演幕後的重要功臣。

碳化矽是一種能夠實現低功耗、高效率與小型化目標的功率元件，相較於矽半導體，碳化矽的特色更偏重於其功率損耗與高溫工作特性，都能優於傳統的矽半導體元件，此種材料能夠降低能源的切換損耗，既使在高溫環境下，仍具備絕佳的工作特性，因此被看中將成為新一代的高功率元件材料。

碳化矽

碳化矽不論是在熱力學、化學以及物理學等方面，都是非常安定的化合物半導體，其參數對於功率元件來說十分重要。不只特性上超越了矽半導體的低電阻、高速及高溫工作，並且還可大幅減少電力在輸送到機器過程中，各種功率轉換所導致的能源損耗。近年來隨著碳化矽材料的應用逐漸成熟，加上其在半導體領域的獨特優勢，使得碳化矽已經逐漸走向實用化，在許多大功率的應用，包括對於產品品質有嚴苛要求的車用領域，以及生活周遭對於節能與小型化特別要求的應用上，都已經可以看到碳化矽半導體的身影。

碳化矽的物性

碳化矽SiC是一種由矽﹙Si﹚與碳﹙C﹚所構成的化合物半導體材料。其結合力非常強大，使其不論在熱力學上、化學上與機械上都能夠呈現高度安定的狀態。純碳化矽是無色的，工業用碳化矽由於含有鐵質等，因而呈現棕色至黑色，晶體上彩虹般光澤則是由於表面產生的二氧化矽鈍化層所導致。

圖2 : 三種主要的碳化矽多形體

碳化矽存在許多不同的晶體型態，由於相似晶體結構的同質多型體，使得碳化矽具有同質多晶的特點。α-碳化矽（α-SiC）是這些多型體中最為常見的，在大於1700℃的溫度下形成，特色是具有六方晶體結構。另外還有類似鑽石的β-碳化矽（β-SiC），這是在低於1700℃的條件下形成的。相較於α-碳化矽，β-碳化矽擁有更大比例的表面積，因此可用於非均相催化劑的負載體。至於用於打造功率元件的碳化矽，則以4H-SiC最為適合。

SiC功率元件的開發背景

碳化矽當然不是一種全新的材料，在過去便已經存在。然而若將碳化矽應用於功率元件上，將可以達到傳統矽功率元件所無法達到的低電力轉換損耗。因此我們如果說，功率元件的應用使得碳化矽大放光彩一點都不為過。特別是在這個講求低功率耗損，強調節能課題的今日，碳化矽能以功率元件的身份粉墨登場，環保節能議題絕對功不可沒。

在傳統低電壓的DC/DC轉換器應用中，手持裝置的行動化與小型化，因此能源轉換效率高於90％以上被視為是理所當然的事。但對於非手持式的高電壓、大電流AC/DC轉換應用中，效率都還有很大的提升空間。在此同時，包括歐盟能源效率（EU Energy Efficiency）等各國節能規範，都已經開始強烈各種電氣與電子設備的能源轉換效率必須提高，更包括待機時的電力耗損必須有效降低。

這樣的狀況，使得這些電子元件的相關廠商，必須開始想辦法來降低電力轉換過程中所產生的能源損耗，他們很明白，必須找出一種能夠超越矽半導體材料特性的物質，才有辦法進一步提升功率轉換的效率。而碳化矽，正是解決這些問題的答案之一（另一種有助於提高能源效率與小型化的材料為GaN氮化鎵，更適合應用於新一代的通訊設備）。

解決能源問題

碳化矽已經被認為是解決能源效率問題的解決方案之一。若與IGBT（絕緣閘極雙極性電晶體）做比較，碳化矽功率元件約可減少85%的切換損失。除了可以大幅減少能源損耗之外，在其低阻抗、高速動作、高溫動作等方面，也可以為電子設備帶來整體應用上的好處。

一般來說，碳化矽半導體元件都會與矽元件來進行比較。通常對於功率元件來說，阻抗值會是一個與耗損直接相關的重要指標。碳化矽的特性使得其阻抗值比矽元件來得更低，其意義在於若阻抗值相同，則碳化矽元件面積可以有效縮減。通常在進行大電力的處理時，會將數個電晶體或二極體模組化來組成功率模組，在過去這樣的模組體積十分龐大，難以縮小。而現在，採用碳化矽功率元件後，整體體積比起矽元件，約可讓尺寸縮小達十分之一。

圖3 : 碳化矽的特性有助於減少損耗，近年來被研發作為解決能源問題的新方案。

高速動作主要指的是碳化矽元件可藉由提高切換頻率，使得周邊元件包括變壓器、線圈、電容器等，不需採用像過去一樣的龐大體積，可以有效的縮減尺寸至原有的十分之一左右。而高溫動作意義則在於可容許元件在更高溫的狀態下工作，這意味著元件本身不需攜帶過多的散熱片，整體的冷卻系統也可更為簡化，這些都有助於縮減原本龐大的裝置體積。

也因此，高轉換效率、高切換頻率、高速動作，以及高溫動作等特性，造就了碳化矽功率元件能在比起過去還要更小的尺寸條件之下，達到相同的能源轉換效率，並同時也為系統周邊產生相同的縮減體積效益。換句話說，對於更大電力的系統，碳化矽可以用於改善整體的電力轉換效率。

而對於現有的一般電力轉換應用，碳化矽則可以有效縮減系統整體體積，達到小型化的目的。這對於本文一開始所提到的，現今電子產品發展的三大趨勢：低耗能、高效率與小型化，可以起到非常大的作用。而這也正是碳化矽在這個節能與小型化當道的年代，會被市場關注與重視的原因。

結語

碳化矽不論在熱力學、化學與物理學等方面，都是安定非常高的化合物半導體。正由於碳化矽的安定性，使得碳化矽應用於功率半導體元件的時候，其參數條件都非常優秀。碳化矽功率元件不只具備超越矽半導體的低電阻、高速工作及高溫工作特性，而且能有效降低電力輸送到機器或裝置之間時，各種功率轉換所導致的能源損耗。在過去，很多體積龐大的變壓器，現在體型都悄悄的縮小了，這正是由於碳化矽加持的緣故。碳化矽元件的市場正逐步邁入成長期，在不久的未來，碳化矽將能為我們的生活帶來更多的便利。