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氮化鎵 (GaN) MOSFET
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#GaN #MOSFET #氧化鎵



氮化鎵的定義與基礎知識

氮化鎵（GaN）是一種由鎵與氮形成的化合物半導體，被視為下一代功率元件的潛力材料。
它以高效率與對功率電子、光子學、LED 技術、射頻基礎設施及電源 IC 的革新影響而聞名，並廣泛應用於 5G/6G 通訊、電動車、節能照明等領域。

除了 GaN，碳化矽（SiC）同樣是重要的化合物半導體，可作為氮化鎵外延層的襯底，因其優異熱導率與穩定性，常用於 RF 與功率元件中。
與矽（Si）比較，氮化鎵具更寬能隙（約 3.4 eV）與更高熱導率，屬於寬能隙半導體，能在更薄結構下承受相同耐壓，適合高壓、大功率應用。

高電子遷移率電晶體（HEMT）

HEMT（High Electron Mobility Transistor）是一種場效應電晶體，在半導體異質結形成的二維電子氣作為導電通道。
GaN HEMT 結合了 GaN 的寬能隙與高遷移率特性，使其能在更高電壓、溫度與頻率下運作，是功率轉換與射頻應用的重要核心技術。

GaN 的物理特性與應用價值
  • 寬禁帶 (3.4 eV)：可承受更高電壓與溫度。
  • 高熱導率與機械穩定性：允許器件在嚴苛環境下運行，耐機械應力。
  • 直接帶隙：有助於高效光電與功率應用。
  • 這些特性讓 GaN 能以小型封裝實現高性能，推動電動車、再生能源系統、資料中心等領域的創新。

提升功率密度與發展趨勢

為了滿足新興應用對高效率、高功率密度的需求，GaN 技術正持續提升功率處理能力，並朝功率 IC 與高效電晶體發展。
這些創新推動了高頻、高效功率轉換，使 GaN 成為現代功率電子的基石。

氮化鎵功率解決方案的優勢
  • 高功率密度：有助於電源轉換器與馬達驅動器小型化。
  • 快速開關 / 低導通電阻：支援高頻、大功率應用。
  • 高熱導率：降低對大型散熱器需求，提升系統可靠性。
  • 高頻操作能力：GaN HEMT 可在 >3 MHz 頻率工作，縮小電容與電感體積，提升整體效率。

面臨的挑戰與對策
  • 高頻運行挑戰
    • 控制 IC 與磁性元件尚未完全支援 MHz 級高頻。
    • 電路板寄生電感易干擾 GaN HEMT 運作。
    • 解決方法:優化電路拓撲與變壓器設計、加強雜訊抑制與散熱設計。
  • 柵源電壓 (VGS) 裕量不足​
    • 標準 GaN HEMT 額定 VGS 約 6V，驅動電壓通常為 5V，裕量僅 1V，超出會導致故障。
    • 解決方法：精準控制驅動電壓，確保在額定範圍內。
  • 封裝與寄生電感
    • BGA 封裝雖性能佳，但不易裝配與檢測。
    • 解決方法：使用 DFN5060 等通用性封裝，或採用銅夾片鍵合技術以降低寄生電感。
  • 雜訊與熱設計複雜性
    • 高速訊號會在柵極產生振鈴現象。
    • 解決方法：將 GaN HEMT 與驅動器整合於 SiP（系統級封裝）或 Power Stage IC，可簡化佈局與散熱。
結論
 
氮化鎵憑藉寬能隙、高效率與高頻優勢，正成為功率電子與 RF 應用的核心材料。
透過持續改善 VGS 裕量、封裝技術及磁性元件設計，GaN HEMT 將在 AC 轉接器、USB 充電器、電動車與再生能源系統等領域發揮更大潛力。