氮化鎵（GaN、Gallium nitride）作為一種新型的第三代寬能隙半導體材料，正悄悄地改變著我們日常使用的電子產品。憑藉其卓越的導熱效率、耐高溫及耐酸鹼等特性，GaN 能夠讓充電器做得更小、更輕，並在功率轉換上比傳統矽（Si）材質更具優勢。如今市售的氮化鎵充電器，即便體積輕巧，也能輕鬆達到 65W 以上的充電功率，同時支援 QC、PD 等多種快充協議，甚至足以為筆記型電腦充電。如果你最近購買過 USB-C 快充充電器，很可能就已經體驗過 GaN 技術的便利。

隨著製造成本的下降與傳統矽晶圓的差距縮小，GaN 的應用版圖正從消費電子擴展至更多高成長產業。

• AI 資料中心： 由於 AI 伺服器的用電需求逐漸飆升，電源輸出已從過去的 3.3kW 邁向 5.5kW 甚至 12kW。這意味著必須在有限的機架空間中，塞入更高的算力與功率密度。GaN 能夠在不增加體積的前提下，顯著提升電源轉換效率和功率密度，直接讓 AI 伺服器「更省電、多跑一點」。更進階的應用是將 GaN 與矽（Si）、碳化矽（SiC）等材料結合，在效率、功率密度與成本之間找到最佳平衡。
• 電動車： 在電動車領域，GaN 能讓車載充電器和 DC-DC 轉換器更高效、更輕巧，系統功率甚至可衝上 20kW 以上。若搭配高階 SiC 解決方案，還能打造更高效的 400V 或 800V 牽引逆變器，直接延長電動車的續航里程。
• 人形機器人： 人形機器人對功率密度的要求極高。GaN 在高 PWM 頻率下，能輕鬆實現低損耗且更高精度的馬達控制，優化馬達運作效率並減少發熱。這對於需要大量關節與靈活動作的機器人來說，是一個極其實用的優勢。

GaN 電晶體之所以性能卓越，核心在於一個天然現象：二維電子氣（2DEG）。你可以將 2DEG 想像成一條電子專用的超高速公路，它自然形成於氮化鎵（GaN）與一層薄薄的氮化鋁鎵（AlGaN）的交界處。

這個 2DEG 通道速度驚人，電子遷移率高達 2000 cm²/V·s，是頂級矽（Si）或碳化矽（SiC）元件的兩倍。此外，其電子密度也極高，帶來超低電阻和高效能。這正是 GaN 電晶體在電源應用（如充電器、逆變器和馬達驅動器）中表現如此出色的原因。

然而，問題來了：2DEG 是自然形成的，這意味著 GaN 電晶體天生就是「常開」（即Gate閘極不需外加觸發訊號時D-S就導通）。但為了電力系統的安全性，我們需要電晶體是「常關」（僅Gate閘極收到觸發訊號時才讓D-S導通）。 D-mode GaN（Depletion-mode GaN）與 E-mode GaN（Enhancement-mode GaN）的差異是它們實現「常關」的方式截然不同。

D-mode GaN 採取了一個聰明的策略，它不改變 GaN 的天然 2DEG 超高速通道，而是將 GaN 電晶體與一個低壓矽 MOSFET 串聯。這樣的設計保留了 2DEG 的所有優點：高速、低電阻和高效率，同時確保設備預設為關閉狀態。

矽 MOSFET 在此扮演了可靠「守門員」的角色，它提供了 2.5V 至 4V 的正向閾值電壓，適用於各種電力系統。這種方法就像讓一輛賽車（GaN）盡情發揮它的速度，同時加裝一個可靠的煞車系統（矽 MOSFET）來確保安全。結果是，一個速度快、效率高且穩健的電晶體，其閘極可以承受高達 ±20V 的電壓，擁有極佳的可靠性。

D-mode GaN Cascode 結構如下圖一所示：

相較之下，E-mode GaN 為了實現常關，卻犧牲了 GaN 的一些天然優勢。它直接修改 GaN 結構，降低了 2DEG 的電子密度，並在閘極下方加入一層 p 型摻雜的 GaN。這層 p 型 GaN 就像一個內建的「負電壓電池」，用來關閉 2DEG，但這帶來了不少代價：

1. 效率降低： 降低 2DEG 的電子密度會增加電阻，導致更多功率損耗，效率通常比 D-mode GaN低。
2. 閾值電壓低： E-mode GaN電晶體的閾值電壓約為 1.6V，在嘈雜或高功率環境中不夠穩定。這往往需要使用負閘極電壓（-3V），增加了電路複雜性和功率損耗。
3. 閘極無隔離： 不同於 D-mode GaN的絕緣閘極，E-mode GaN用 p 型 GaN 取代了閘極介電層，導致正向偏壓下有顯著的閘極電流。其閘極只能承受 7V，否則容易損壞。
4. 動態電阻問題：E-mode GaN電晶體有「動態電阻」問題，在切換時電阻會增加，導致更高的功率損耗和不可靠的性能。例如在 480V 時，其電阻增加約 27%，而 D-mode GaN僅增加 5%。

E-mode GaN 結構如下圖二所示：

關於 D-mode GaN 有幾個常見的誤解，讓我們來一一破解：

• 迷思一：矽 MOSFET 會增加太多電阻。
  • 真相： 在 D-mode GaN 中，矽 MOSFET 只需承受少量電壓（幾十伏特），因此其電阻非常小，僅佔總電阻的不到 10%。它的反向恢復電荷（Qrr）也極低，比傳統矽元件好得多。
• 迷思二：E-mode GaN 沒有反向恢復電荷（Qrr）。
  • 真相： 所有 GaN 電晶體在切換時都有輸出電容需要充電，因此 Qrr 永遠不會是零。D-mode GaN和 E-mode GaN的 Qrr 都存在，但D-mode GaN的設計能更好地處理此問題。
• 迷思三：D-mode GaN 容易產生振盪。
  • 真相： D-mode GaN 的高增益使其切換速度很快，但只要遵循標準電路設計原則（例如減少閘極和電源迴路電感、選擇正確的閘極電阻或添加 RC 吸收器），就能輕鬆避免振盪，且不影響性能。

D-mode GaN 不僅性能卓越，還具備高度多功能性。它能適配各種封裝，從通孔式到表面貼裝再到多晶片模組，適用於多樣化的應用。Renesas 公司的晶片堆疊技術能最大程度減少寄生電感，即使在高功率應用中也能保證頂尖性能。

此外，D-mode GaN 為未來做好了準備。它支援更高的電壓額定值（高達 1200V）和雙向開關，這對馬達驅動等新興應用至關重要。它還提供長達 5 微秒的短路耐受時間，滿足現代閘極驅動器的需求，且無需額外的複雜設計。相比之下，E-mode GaN 在這些方面顯得力不從心，特別是在高電壓應用中。

在 GaN 電晶體的競爭中，常關D-mode GaN 無疑是贏家。透過順應 GaN 的天然優勢並搭配可靠的矽 MOSFET，D-mode GaN提供了無與倫比的效率、可靠性和多功能性。它避免了 E-mode GaN 的妥協，如 2DEG 性能下降、脆弱的閘極和動態電阻問題，使其成為下一代電力電子的首選。

無論你是設計一個小巧的充電器、高功率逆變器還是馬達驅動器，D-mode GaN 都能提供你所需的性能與可靠性。它不僅是一個電晶體，更是電力轉換領域的一場革命。

如Macnica所代理產品線Renesas的 D-mode GaN Cascode 產品提供電源相關應用上最常見的封裝產品（如下圖三），以滿足不同功率等級的設計需求。其優異的擴展性讓使用者能輕鬆擴展應用範圍，大幅簡化設計流程。

• https://www.renesas.cn/zh/document/whp/fundamental-advantages-normally-d-mode-gan?r=25561386
• https://www.renesas.cn
• https://www.renesas.cn/zh/document/fly/renesas-gan-portfolio?r=25561386