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        下一代半導體:金剛石器件顯示出最高的電壓

        作者:EEPW 時間:2023-11-29 來源:EEPW 收藏

        為了在 2050 年實現世界碳中和的目標,電子必須發生根本性的變化,以創建更可靠、更有彈性的電網。 鉆石可能是女孩最好的朋友,但它也可能是維持社會電氣化所需的解決方案,以在未來 30 年實現碳中和。

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/202311/453410.htm

        伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員開發了一種由金剛石制成的器件,與之前報道的金剛石器件相比,該器件具有最高的擊穿電壓和最低的漏電流。 隨著世界向可再生能源過渡,這種設備將實現所需的更高效的技術。

        據估計,目前全球50%的電力由功率器件控制,預計不到十年,這一數字將增至80%,同時,電力需求將增加50% 2050年。

        根據美國國家科學院、工程院和醫學院的一份新報告,“也許成功能源轉型面臨的最大技術危險是國家未能選址、現代化和建設電網的風險。 輸電能力、可再生能源部署將被推遲,最終結果可能至少是化石燃料排放量暫時增加,從而阻礙國家實現其減排目標。”

        “為了滿足這些電力需求并使電網現代化,我們必須從傳統(如硅)轉向我們今天所采用的新(如碳化硅)和下一代(超寬),這一點非常重要。 帶隙材料,例如氮化鋁、金剛石和相關化合物,”領導這項研究的電氣和計算機工程教授 Can Bayram 和研究生卓然韓說。 這項工作的結果發表在《IEEE Electron Device Letters》雜志上。

        大多數都是用硅制造的,到目前為止,已經滿足了社會的電力需求。 但正如拜拉姆指出的那樣,“我們希望確保為每個人提供足夠的資源,同時我們的需求也在不斷變化。現在,我們使用越來越多的帶寬,我們正在創建更多的數據(這也帶來了更多的存儲空間) ,我們正在使用更多的電力、更多的電和更多的能源。問題是:有沒有一種方法可以讓我們變得更加高效,而不是產生更多的能源和建造更多的發電廠?”

        為什么是鉆石?

        金剛石是一種具有最高導熱率的超寬帶半導體,導熱率是材料傳遞熱量的能力。 由于這些特性,與硅等傳統半導體材料相比,金剛石半導體器件可以在更高的電壓和電流下工作(使用更少的材料),并且仍然可以散熱,而不會導致電氣性能下降。

        “要擁有一個需要高電流和高電壓的電網,從而使太陽能電池板和風力渦輪機等應用變得更加高效,那么我們需要一種沒有熱限制的技術。這就是鉆石的用武之地,”Bayram 說 。

        盡管許多人將鉆石與昂貴的珠寶聯系在一起,但鉆石可以在實驗室中更經濟、更可持續地制造,使其成為一種可行且重要的半導體替代品。 天然鉆石是在地球表面深處在巨大的壓力和熱量下形成的,但由于它本質上只是碳(碳含量豐富),因此人工合成鉆石可以在數周而不是數十億年的時間內制成,同時產量也減少了 100 倍 碳排放量。

        在這項工作中,Bayram 和 Han 展示了他們的金剛石裝置可以承受大約 5 kV 的高電壓,盡管電壓受到測量設置的限制,而不是來自裝置本身。 理論上,該裝置可承受高達 9 kV 的電壓。 這是金剛石裝置報告的最高電壓。 除了最高的擊穿電壓外,該器件還表現出最低的漏電流,可以將其視為具有能量的漏水水龍頭。 漏電流影響器件的整體效率和可靠性。

        Han 說:“我們構建了一種更適合未來電網和其他電力應用的高功率、高壓應用的電子設備。我們在超寬帶隙材料——人造金剛石上構建了該設備,它有望實現更高的效率和更好的性能。” “性能優于當前一代設備。希望我們能夠繼續優化該設備和其他配置,以便我們能夠接近金剛石材料潛力的性能極限。”



        關鍵詞: 半導體 材料

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