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本文始於2021年，介紹第三類半導體功率元件特性，並以Simplorer(Twin Builder)比較Si與SiC功率元件開關(MOSFET)的差別。
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比較元件模型
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觀察模擬結果
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問題與討論
5.2 APT12060B2VFR的Vgs在規格書中是寫(Vg_on,Vg_off) = (+30V,-30V)，為何模擬用(+15V, 0V)?
5.3 同廠牌的MOSFET，為何SiC APTMC120AM20CT1AG的擬合模型誤差比Si APT12060B2VFR來的大?
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半導體第一代材料是矽(Si)，矽的帶隙(band gap)寬約是1.17eV；第二代材料是砷化鎵(GaAs)，是現今絕大部分通信設備的材料；第三代材料是指帶隙寬在2.3eV及以上的半導體材料。SiC(Silicon carbide, 碳化矽)的帶隙寬為3.26eV，GaN(Gallium nitride, 氮化鎵)的帶隙寬為3.5eV，因此成為功率或射頻元件的新材料。
GaN與SiC這兩種寬能隙(wide band gap)半導體，因比傳統半導體材料矽的帶隙要寬的多，擁有高功率、耐高溫、高崩潰電壓、高電流密度、高頻特性，使晶片面積可大幅縮小，簡化周邊電路設計，是5G、電動車、高功率應用(如快速充電)、雷達等重要關鍵元件。[1]
如果用門做比喻，用矽做的半導體，就像是用木頭做的木門，輕輕一拉就能打開(從絕緣變成導電)。用第2代或第3代化合物半導體就像是鐵門，甚至金庫的大門，需要很大的力氣，要施加大的電壓，才能讓半導體材料打開大門，讓電子通過。因此，要處理高電壓、高頻訊號，或是在訊號的轉換速度上，第3代半導體都優於傳統的矽。[2]
SiC及GaN在晶體成長、磊晶、元件設計及製作上都具有很大的挑戰，這也是當今第三代半導體尚未能普及化的原因。
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比較元件模型
2.1 SiC功率元件模型生成
從[Twin Builder] \ [Characterize Device] \ [Semiconductors]選擇MOSFET，就會在第一步驟內有[Material]選項
只有MOSFET與Diode有SiC材料製程，IGBT沒有。2.2 SiC MOSFET模型特性比較
從觀察Simplorer內建的同廠牌(Microsemi)不同型號的MOSFET模型開始
Si：APT12060B2VFR, Rds(on)=600mohm, (Td(on),Tr)=(13n,12n)
SiC : APTMC120AM20CT1AG, Rds(on)=12~17mohm, (Td(on),Tr)=(21n,19n)
整體來看，Si製程各家(型號)的操作電壓範圍落在30~600V，而SiC製程各家(型號)的操作電壓範圍落在300~900V
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Set (Vg_on,Vg_off) = (+15V, 0V) for Si MOSFET
Set (Vg_on,Vg_off) = (+20V, -2V) for SiC MOSFET
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觀察模擬結果
4.1 600V, 20A
規格書寫(Eon,Eoff)=(2.2mJ,1.2mJ) at 600V, 100A，實際模擬出來只有1/10，why?
眼睛睜大，此處的模擬條件電流是20A不是100A!!
4.2 800V, 100A
同樣操作條件下，碳化矽(SiC)的功率開關確實Eon/Eoff明顯較低。
即使以800V, 100A的條件模擬，得到的Eon/Eoff仍然明顯小於規格書所定義，why? 參考5.3 -
問題與討論
5.1 GaN(氮化鎵)與SiC(碳化矽)的應用區隔?
Ans：由於材料特性不同，這兩種元件適合的應用市場也有所區隔。
一般來說，以耐受電壓600~650伏特為界，高於此一區間的應用會以SiC為主；低於此一區間的市場則會是GaN的主戰場。就個別應用來說，SiC最重要的應用會是電動車、軌道運輸與電動車充電站；GaN 最重要的應用則是消費性電源，其次是電動車與不斷電系統(UPS)等。[3]
GaN與SiC應用重疊的地方，落在輸出功率1~30kW之間的應用，低於1kW的應用，GaN有明顯的優勢，高於30kW的應用，則應該採用SiC。[2]
GaN目前滲透率仍低，短中期以SiC較具想像空間。
5.2 APT12060B2VFR的Vgs在規格書中是寫(Vg_on,Vg_off) = (+30V,-30V)，為何模擬用(+15V, 0V)?
Ans：因為規格書中動態特性(Dynamic Characteristics) Tr, Tf是以(Vg_on,Vg_off) = (+15V, 0V)做為測試條件。
- 參考
[1] 第三代半導體
[2] 白話解析第三代半導體
[4] R. Wang, "A High-Temperature SiC Three-Phase AC–DC Converter Design for >100oC Ambient Temperature", IEEE Trans. on Power Electronics, 2013.
[5] S. Maekawa, "EMI prediction method for SiC inverter by the modeling of structure and the accurate model of power device", IEEE International Power Electronics Conference, 2014.
[6] J. Fabre, "Characterization and Implementation of Dual-SiC MOSFET Modules for Future Use in Traction Converters", IEEE Trans. on Power Electronics, 2015.
[7] Z. Duan, "Improved SiC Power MOSFET Model Considering Nonlinear Junction Capacitances", IEEE Trans. on Power Electronics, 2018.
[8] B. Zhang, "Near Magnetic Field Emission Analysis for IGBT and SiC Power Modules", IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility Signal/Power Integrity, 2020.
[9] GaN SPICE Model
同理，這也是為什麼這兩顆MOSFET規格書中最大電壓雖然都是1200V，但一開始模擬時APT12060B2VFR的VNOM設600V，APTMC120AM20CT1AG的VNOM設800V。
如果APT12060B2VFR的(Vg_on,Vg_off)設(+20V, -2V)模擬，結果會怎樣?
5.3 同廠牌的MOSFET，為何SiC APTMC120AM20CT1AG的擬合模型誤差比Si APT12060B2VFR來的大?
Ans：比較Si APT12060B2VFR與SiC APTMC120AM20CT1AG於建模步驟[11/12]的擬合結果
先不談Eon/Eoff與規格的差異，光看Toff指標(goal)就發現SiC MOSFET的模型擬合結果沒有Si的好。
進一步檢查在Simplorer Component Libraries內[Manaufacturers]\[Power Semiconductor]\[SiC]下的十顆MOSFET，其中的三顆APTMC120AM20CT1AG、 CAS300M17BM2、QJD1210010有這現象，又這三顆的(VNOM,INOM)分別是(800V,100A)、(900V,300A)、(800V,100A)， 都是操作功率非常高的型號。
在SiC APTMC120AM20CT1AG電路符號按右鍵選[Edit Model]輸出.ppm(另存)，編輯建模步驟[10/12]如下：進[Adv. Settings]增加Eon/Eoff為Goal，但刻意把Eon/Eoff的weight調小。
重新[Extraction]發現，(Eon, Eoff)與(Ton,Toff)的擬合(fitting)誤差彼此間有互扯(trade-off)的現象；Eon變好了，但Toff變差了。這應該就是為什麼此內建模型一開始的建模設定只設Ton/Toff為Goal的原因。
