中國大陸傾力發展第三代半導體,我們穩贏嗎?

2020-09-22 09:35

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由於牆壁上的插座提供的是110或220伏特(V)的交流電(AC),但是幾乎所有電子產品使用的積體電路(IC)都是直流電(DC),因此我們就必須使用電源供應器來轉換交流電與直流電,可以分為下列四種常常讓人頭昏腦脹的專有名詞:

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➩變壓器(Transformer):將交流電(AC)轉換成不同電壓的交流電(AC)。

➩整流器(Rectifier):將交流電(AC)轉換成直流電(DC)。

➩穩壓器(Regulator):將直流電(DC)轉換成不同電壓的直流電(DC)。

➩逆變器(Inverter):將直流電(DC)轉換成交流電(AC)

逆變器(Inverter)通常使用在太陽電池,因為太陽能板是接收光能產生直流電(DC),而一般住家的插座是使用交流電(AC),因此必須經由逆變器將直流電(DC)轉換成交流電(AC)才能與目前發電廠產生的交流電力系統併網,這個轉換恰好與我們平常使用的電源供應器(交流電轉換成直流電)相反,故稱為「逆變(Invert)」。

使用碳化矽是為了高功率,使用氮化鎵是為了高頻率

目前用來製作電源晶片的主要元件有「金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET:Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)」與「絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)」,差別在元件的結構與製程,MOSFET結構與製程簡單,但是只能承受較小的功率,IGBT結構與製程複雜,但是可以承受較大的功率,如圖一所示。

圖一 MOSFET與IGBT差別在元件的結構與製程。(圖片來源:作者提供)
圖一 MOSFET與IGBT差別在元件的結構與製程。(圖片來源:作者提供)

我們國中都學過「功率(瓦特)」等於「電壓(伏特)」乘以「電流(安培)」,因此較大的功率意思是較大的電壓或電流。低功率的電源晶片應用在手機、電腦、電視的電源供應器;中功率的電源晶片應用在電冰箱、冷氣機、工廠設備的電源供應器;高功率的電源晶片應用在電動車、捷運、高鐵、太陽能與風力發電的電源供應器。

低功率的電源晶片是使用第一代半導體矽(Si)的MOSFET來製作,結構與製程簡單,如果要提高功率必須改用矽(Si)的IGBT來製作,結構與製程複雜;如果希望高功率又體積小則必須換材料,改用第三代半導體碳化矽(SiC)的MOSFET來製作;如果希望高頻率又體積小則必須換材料,改用第三代半導體氮化鎵(GaN)的MOSFET來製作,提高主動元件(MOSFET)的頻率可以縮小被動元件(電容、電感)的體積,這樣就會縮小整個電源供應器的體積,如圖二所示。

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