功率半導體是什麼？管大電流、高電壓的晶片在做什麼

功率半導體，也叫功率元件，是專門用來開關、轉換很大的電流和很高的電壓的半導體元件。它把電從一種形式變成另一種：把插座的交流電變成手機要的直流電、把電動車電池的電送給馬達、把太陽能板發的電送上電網。英文叫 power semiconductor 或 power device。「功率」說的是它經手的電很多，不是它特別會算。

它跟一般的晶片，差在哪？

手機的處理器這類晶片，裡面有上百億個很小的開關（電晶體是什麼？），接在一起決定每一條線的電壓是高（1）還是低（0），用來算東西（邏輯閘是什麼？）。它們要的是開關很多、很小、很快。

功率元件常常整顆就是一個大開關。它不算東西，要做到三件事：

• 擋得住高電壓：關著時，兩端可能差幾十伏到幾千伏，不能被打穿。
• 通得過大電流：開著時，可能有幾安培到上百安培流過。
• 自己少發熱：經手的電很多，浪費一小部分就是很多熱。

什麼時候開、什麼時候關，由旁邊的控制晶片指揮。電壓低、電流小的時候，開關和控制電路也能做在同一顆裡，很多電源管理晶片就是這樣（類比晶片和數位晶片差在哪？）。

從插座到手機，電要轉幾次？

1. 插座：交流電，電流一秒來回五、六十次，電壓一百到兩百多伏。
2. 整流：二極體只讓電往一個方向走，把來回的電變成同一個方向的直流電。
3. 切碎、降壓：功率 MOSFET 一秒開關幾萬到幾十萬次，把直流電切成一小段一小段，送過小小的變壓器降成幾伏，再整理平順。為什麼要切這麼快，見「新聞說的「第三代半導體」是什麼？」。
4. 手機裡：電池大約三、四伏，處理器要的是一伏上下，還要再降一次。

從整流開始，每一步都有功率元件在開開關關。電動車反過來：電池是直流，馬達要交流，車上一組叫逆變器的開關把直流「切」成交流，也順便調轉速。

二極體、MOSFET、IGBT，各做什麼？

二極體：只讓電往一個方向走

它只有兩端，不用人指揮：電從一頭推就通，從另一頭推就擋住。所以最常用來整流；也常擺在下面兩種開關旁邊，開關一關，替馬達、線圈裡停不下來的電流留一條路，免得電壓衝得太高。

功率 MOSFET：切換最快

原理跟邏輯晶片裡的電晶體一樣：閘極加上電壓就通，拿掉就斷。差別是做得很大，電流常從晶片正面直直流到背面。它切換快、控制省力，最常用在充電器、電源這類幾百伏以下的地方。可是要擋的電壓越高，擋電壓的那一層就要越厚，開著時的電阻也跟著變大（磊晶是什麼？），電壓太高就不划算。

IGBT：高電壓、大電流

IGBT 是「絕緣閘雙極電晶體」，可以想成在功率 MOSFET 的背面多加一層。它一樣用閘極的電壓控制；不同的是，開著時，背面那一層會往擋電壓的那一層多送進一批帶電的粒子，讓它一下子變得好導電。所以在幾百到幾千伏、電流很大的地方，它開著時浪費得少，常用在電動車、電車、工廠的大馬達，和太陽能、風力發電的設備。代價是關掉時，那批粒子要一點時間才散掉，切換比較慢，一秒多半幾千到幾萬次。

功率元件用在哪裡？

• 充電器、電腦和伺服器的電源：交流變直流，再降壓。
• 電動車：管馬達的逆變器、車上的充電器、充電樁。
• 太陽能、風力發電：太陽能板發的是直流，要變成交流才送得上電網。
• 馬達和家電：冷氣、冰箱、洗衣機，還有工廠的泵浦和風扇，常用「變頻」照需要調轉速，靠的就是一組功率元件。

電浪費在哪裡？為什麼效率這麼重要？

功率元件不是完美的開關，浪費發生在兩個時候：

• 開著的時候：通了還是有一點電阻。對 MOSFET 來說，電流變兩倍，熱大約變四倍。
• 切換的那一下：從通到斷、從斷到通，中間有一小段時間，電壓和電流都不是零，每切一次就浪費一點。切得越頻繁，加起來越多。

效率是送進去的電有幾成送到後面，其餘變成熱。電從發電廠到你手上要轉好幾次，每次扣一點；效率每提高一點，省下的電就很多，散熱的東西也能做小。

為什麼常用舊一代的製程，還做得比較大？

要通大電流，就要夠大的面積讓電流走，像水管要粗；要擋高電壓，擋電壓的那一層就要夠厚。這兩件事都跟「把開關做小」反方向。所以功率元件比的不是最細的線寬，而是擋電壓的那一層長得好不好、背面的接點做得好不好。很多在已經做了很多年的產線上做（新聞說的「成熟製程」是什麼？）。

為什麼大部分是矽，又開始用碳化矽、氮化鎵？

矽便宜、做得最熟，大部分的功率元件還是矽做的。電壓更高、要切得更快的地方，開始改用碳化矽、氮化鎵：它們撐得住強得多的電場，擋電壓的那一層能薄很多。碳化矽多用在電壓更高、功率更大的地方，氮化鎵多用在要切換很快的快充充電器、伺服器電源。為什麼耐壓、為什麼還沒取代矽，見「新聞說的「第三代半導體」是什麼？」。

為什麼封裝和散熱特別重要？

浪費的那一小部分，全從一小塊晶片冒出來；太燙，元件會壞、壽命變短。所以功率元件的封裝（封裝是什麼？）特別顧熱和大電流：

• 黏晶多用金屬焊料，讓熱從晶片底下導出去。
• 電流大，打線用比較粗的線，或改用金屬片接出來。
• 大功率的，常把好幾顆晶片焊在又絕緣、又導熱的陶瓷板上，包成「功率模組」，下面再接散熱片；電動車上還常用水冷。

一開一關、一冷一熱，各層材料脹縮不一樣，焊點和線會慢慢被拉壞，所以要特別做可靠度測試（可靠度測試是什麼？）。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有功率半導體，晶圓廠做的也不是功率元件；可是「廠裡的電怎麼來」碰得到：按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到廠務，在名字下面點「電力」（標著 Beta），就是電力課工程師，顧從變電站一路分到每一台機台的電，還有停電時的不斷電系統和緊急發電機。

變電站的變壓器用線圈把交流電的電壓變高、變低，不靠功率半導體；不斷電系統的電池存的是直流電，送出去之前要變回交流，一般就是靠功率元件，遊戲裡沒有畫到它的裡面。深夜班，中控室打來說前段在問「是不是電」，你要看電壓的紀錄回答。遊戲裡的廠、人物、機台編號都是虛構的；功率半導體是什麼，照公開的一般資料寫，電壓、電流只寫量級。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。