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下一代半导体:金刚石器件显示出最高的电压

作者:EEPW 时间:2023-11-29 来源:EEPW 收藏

为了在 2050 年实现世界碳中和的目标,电子必须发生根本性的变化,以创建更可靠、更有弹性的电网。 钻石可能是女孩最好的朋友,但它也可能是维持社会电气化所需的解决方案,以在未来 30 年实现碳中和。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202311/453410.htm

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种由金刚石制成的器件,与之前报道的金刚石器件相比,该器件具有最高的击穿电压和最低的漏电流。 随着世界向可再生能源过渡,这种设备将实现所需的更高效的技术。

据估计,目前全球50%的电力由功率器件控制,预计不到十年,这一数字将增至80%,同时,电力需求将增加50% 2050年。

根据美国国家科学院、工程院和医学院的一份新报告,“也许成功能源转型面临的最大技术危险是国家未能选址、现代化和建设电网的风险。 输电能力、可再生能源部署将被推迟,最终结果可能至少是化石燃料排放量暂时增加,从而阻碍国家实现其减排目标。”

“为了满足这些电力需求并使电网现代化,我们必须从传统(如硅)转向我们今天所采用的新(如碳化硅)和下一代(超宽),这一点非常重要。 带隙材料,例如氮化铝、金刚石和相关化合物,”领导这项研究的电气和计算机工程教授 Can Bayram 和研究生卓然韩说。 这项工作的结果发表在《IEEE Electron Device Letters》杂志上。

大多数都是用硅制造的,到目前为止,已经满足了社会的电力需求。 但正如拜拉姆指出的那样,“我们希望确保为每个人提供足够的资源,同时我们的需求也在不断变化。现在,我们使用越来越多的带宽,我们正在创建更多的数据(这也带来了更多的存储空间) ,我们正在使用更多的电力、更多的电和更多的能源。问题是:有没有一种方法可以让我们变得更加高效,而不是产生更多的能源和建造更多的发电厂?”

为什么是钻石?

金刚石是一种具有最高导热率的超宽带半导体,导热率是材料传递热量的能力。 由于这些特性,与硅等传统半导体材料相比,金刚石半导体器件可以在更高的电压和电流下工作(使用更少的材料),并且仍然可以散热,而不会导致电气性能下降。

“要拥有一个需要高电流和高电压的电网,从而使太阳能电池板和风力涡轮机等应用变得更加高效,那么我们需要一种没有热限制的技术。这就是钻石的用武之地,”Bayram 说 。

尽管许多人将钻石与昂贵的珠宝联系在一起,但钻石可以在实验室中更经济、更可持续地制造,使其成为一种可行且重要的半导体替代品。 天然钻石是在地球表面深处在巨大的压力和热量下形成的,但由于它本质上只是碳(碳含量丰富),因此人工合成钻石可以在数周而不是数十亿年的时间内制成,同时产量也减少了 100 倍 碳排放量。

在这项工作中,Bayram 和 Han 展示了他们的金刚石装置可以承受大约 5 kV 的高电压,尽管电压受到测量设置的限制,而不是来自装置本身。 理论上,该装置可承受高达 9 kV 的电压。 这是金刚石装置报告的最高电压。 除了最高的击穿电压外,该器件还表现出最低的漏电流,可以将其视为具有能量的漏水水龙头。 漏电流影响器件的整体效率和可靠性。

Han 说:“我们构建了一种更适合未来电网和其他电力应用的高功率、高压应用的电子设备。我们在超宽带隙材料——人造金刚石上构建了该设备,它有望实现更高的效率和更好的性能。” “性能优于当前一代设备。希望我们能够继续优化该设备和其他配置,以便我们能够接近金刚石材料潜力的性能极限。”



关键词: 半导体 材料

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