在全球節能減碳、淨零排碳趨勢下，電動車（Electric Vehicle, EV）的發展成為主流。依照市場調查公司「Fortune Business Insights」2024年所發表的報告《電動車市場》，2023年電動車的市場規模已經突破了5,000億美元，而接下來成長率平均將以13.8％持續成長。
撰文／許世穎 圖片提供／Shutterstock
電動車以電力來控制車輛，有電力控制的地方就需要半導體。因此，電動車用的半導體也跟著水漲船高。依據市場研究公司「Research and Markets」2022年所出版的《全球電動車用半導體的成長機會》報告，2021年的電動車用半導體的全球市場規模在近5年以平均每年約30％的幅度成長，比電動車還要高！
這個成長幅度一方面奠基於電動車的發展趨勢。但另一方面也歸功於「電動車用半導體」本身的發展與重要性。要討論半導體與電動車的關聯，可以從2個層面下去著手：「功能」與「電能」！
愈聰明的車，愈多的半導體！
半導體其中一項深入電動車的發展的地方在於「輔助駕駛」，與之相對應的系統被稱為「先進駕駛輔助系統（Advanced driver-assistance system, ADAS）」。可以大致分為幾個步驟：先是感測外部的環境，接著要處理數據，最後要進行控制車輛。這一連串的步驟，都少不了半導體的參與。
單就「前面有障礙物，就自動緊急煞車」這個幾乎是最基本的功能來看：為了判斷前方有障礙物，至少要有個雷達感測晶片；為了處理數據，則需要個小型的處理器，可以想像成一台小型電腦；最後，還需要一個煞車控制單元來啟動煞車。這所有的環節，都有半導體的存在。
更何況，要達到相當程度的「輔助駕駛」，甚至是「自動駕駛」，可遠遠不止有這個功能。感測器不能只有射頻晶片，還會需要光學元件、超音波元件。當需要分析的數據愈來愈多、愈來愈複雜，裡面的小電腦也必須隨之升級。要控制的部分也不會只有煞車，至少還包含了引擎、傳動系統、懸吊系統等數十個部分。
還沒結束！這些都還只是「輔助駕駛」的部分功能而已，如果想要更加多元的功能，（如：車主靠近自動開車門），甚至是串接物聯網（如：快到家時自動開開啟家中冷氣）、增加智慧型功能（如：預測乘客心情自動選音樂）等，那麼其中需要的半導體晶片、元件等也會更多、更複雜！少了這些半導體晶片，那麼電動車就只不過是換個動力來源而已。
總之，用一句話來總結：愈聰明的車，愈多的半導體！
愈省電的車，愈好的半導體！
電動車是以電力為動力來源，儲存動力的方式不是石油，而是電池。電池一直是電動車相當關鍵的部分，如同我們的手機一樣，續航力是相當重要的指標。不過，手機用到一半如果真的沒電了，還可以拿條線隨意找個插座充電，電動車要是開到一半沒電就只能用推的啦！因此，除了增加電池本身的儲電量以外，另外一個可以努力的方向，就是用更妥善的方法來管理電池。
電動車內管理電池的系統稱為「電池管理系統（Battery Management System, BMS）」。除了要記錄好電池本身的各種資訊（充電量、使用量、溫度、循環次數等）以外，還需要控制電池的溫度，讓電池在更安全的環境下運行。甚至得在緊急狀況發生時做好斷電、應變的準備。這些都是半導體所能夠應用的地方。
除了妥善管理電池以外，充電的速度也很重要。汽車如果沒油了，去加油站一趟加個油，可以在數分鐘內完成。但是電池不一定有辦法用幾分鐘就充好電，光是一隻小小的手機有時候都要充個數十分鐘。即便現在電池可以儲存的電已經有一定水準，但要快速的充電仍舊是相當困難的事情。
有些機動性高的電動機車（如：Gogoro）選擇另闢蹊徑，設立電池交換站，讓使用者直接拿沒電的電池交換充好電的電池。這個做法與以前的手機可以自己更換電池相仿，然而，隨著手機功能愈來愈複雜，也為了安全性，現在的手機大多以直接充電為原則，只有在電池壽命耗盡時才更換電池。
電動汽車的功能更複雜，所需要的電池更多，而且還非常重，非常危險，不太容易像電動機車一樣直接換電池！在不以交換電池為主要手段的基礎上，如何快速充電也成為了電動車的發展重點，而涉及到電力控制的技術，自然又是半導體的主場。
「氮化鎵」與「碳化矽」：電動車用半導體的未來
使用筆電時，插在插座上的轉接頭會發燙。使用手機時，手機有時候也會發燙。這些「發燙」往往意味著「電能」沒有被妥善的運用，而是轉換成了熱能逸散掉。電能轉換的效率愈好，意味著浪費掉的電愈少。電動車主要的動力來源就是電能，因此對電動車而言，電能轉換效率格外重要。轉換效率愈好，代表一台電動車愈省電。換成油車概念的話，就是愈省油。
而提升電能轉換效率的關鍵，就是半導體的「材料」！
一般製作半導體晶片的材料為「矽（Si）」元素，用其做出來的半導體也被稱為「第一代（類）半導體」。「矽」並不是唯一能作為半導體的材料，但卻是目前技術最純熟、發展最廣泛的材料。不過，雖然「矽」晶片目前尚足以應付大多的需求，但如果想要擁有更突破性的發展，則可能要更換原料，設法跨越一些物理性質上的限制。
以電動車而言，目前研究發展的主流為「氮化鎵」與「碳化矽」2種材料，這2種材料所製作出來的半導體稱為「寬能隙半導體（Wide -bandgap semiconduc tor, WBGS）」，又被稱為「第三代（ 類）半導體」。「寬能隙」的半導體能承受更高的電壓，更高的溫度，耗損的能量更少，能量轉換效率更好！因此，前文所提及的眾多發展目標，都與「氮化鎵」與「碳化矽」半導體的技術有關！當然，這些寬能隙半導體不是只能用在電能轉換而已。移植到電動車裡面，也有助於電動車更加省電。
電動車目前研究發展的主流為「氮化鎵」與「碳化矽」2種材料，能承受更高的電壓，更高的溫度，耗損的能量更少。
無論從「電能」還是「功能」來看，半導體對電動車的未來發展都息息相關，許多關鍵技術都與第三代半導體有關。鴻海研究院半導體研究所致力於次世代化合物半導體研究，主要研究方向涵蓋第三代半導體、功率元件和前瞻奈米光學技術，所舉辦的「SEMICON Taiwan 2023」國際半導體展中，許多國際廠商皆聚焦在電動車的發展，由此可見其潛力。