【功率半導體】（二）：SiC和GaN為何適作功率元件

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大幅降低單極性元件的導通電阻

功率電子產品的設計人員所追求的功率元件是，雖為開關損失很小的單極性元件，卻可像硅雙極元件一樣實現較小的導通電阻。如果能從開關損失的問題中解放出來，就能設置較高的工作頻率。如果開關頻率能夠高於聽覺頻率上限20kHz，便可降低噪聲。而且，還能實現電容器及電感器等外圍部件的小型化，因此也有助於實現功率電子產品的小型輕量化及低價格化。

要滿足這些要求，可以採用物性更適合功率元件的新材料。那就是是帶隙達到硅的三倍的寬帶隙半導體材料SiC和GaN（表1）。這些材料擁有很大的帶隙，也就是說要生成電子空穴對需要很大的能量，因此很難因碰撞電離現象而出現雪崩擊穿。這樣便可擁有十倍於硅的擊穿電場強度。如果擊穿電場強度較大，便可在高濃度摻雜雜質的薄層保持耐壓，因此可以降低導通電阻。

從上述公式可以看出，導通電阻會隨著擊穿電場強度呈三次方變化，因此通過使用SiC和GaN，可以大幅降低導通電阻。綜合考慮遷移率及介電常數來計算，在耐壓相同的情況下，可使導通電阻降至硅的1/300∼1/1000（圖4）。

圖4 降低導通電阻 SiC具備十倍於硅的擊穿電場強度。擊穿電場強度越大，就越能以高濃度摻雜雜質的薄層來保持耐壓，所以可降低導通電阻。如果以耐壓1200V的MOSFET來估算，通過使用SiC，可使導通電阻降至1/500。

因此，如果採用SiC或GaN，即便是數kV耐壓的元件，也不需要依賴電導率調制，單極性元件SBD或MOSFET可以實現足夠低的導通電阻。當然，600∼900V的功率元件也能比硅元件大幅降低導通電阻。