陈庆川:浅谈宽带隙 | 中國報 China Press
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    陈庆川:浅谈宽带隙

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    自发明的70多年以来,基于硅(Si)的半导体都一直是电子工业的基石。多年来,硅器件在电力电子领域一直占据主导地位,但现在正接近物理极限。宽带隙(WBG)半导体例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)有潜力延续技术趋势,甚至以其优越的性能开辟新的领域和应用。

    宽带隙或称能隙(Wide bandgap, WBG)半导体材料允许更小、更快、更可靠的电力电子元件,并且比硅基元件具有更高的效率。这些功能使得在各种电源应用中降低重量、体积和生命周期成本成为可能。利用这些能力可以显著节省工业加工和消费电器的能源,加速电动汽车和燃料电池的广泛使用,并有助于将可再生能源整合到电网中。WBG半导体允许器件在更高的温度、电压和频率下工作,使用这些材料的电力电子模块比传统半导体材料制造的模块更强大、更节能。

    什么是带隙?

    材料中有两种类型的能带:导带(conduction band)和价带(valence band)。为了传导电子,它需要足够的能量来桥接价带和导带之间的带隙。作为导体的材料具有重叠或具有非常小的带隙的导带和价带,而绝缘体具有极宽的间隙。

    带隙是指价带顶部和导带底部之间的能量差。另一种表达方式是,带隙表示电子成功在价带和导带之间跳跃所需的能量。由于半导体既可以导电又可以绝缘,因此它们将始终具有非零带隙,介于绝缘体和导体之间。

    带隙代表能量,以eV(电子伏特,能量单位等于约1.602×10-19 J)为单位进行测量。碳化硅(SiC)的带隙为3.26 eV,而Si的带隙为1.12 eV,GaAs(砷化镓)为1.42 eV。因此,碳化硅(SiC)被称为具有宽带隙。

    宽带隙的优势

    碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙半导体材料与更传统的硅材料相比具有许多优势。带隙随着温度升高会缩小。由于宽带隙半导体具有宽带隙,因此它可以在更高的温度下继续正常操作,通常高达400°C。使用宽带隙半导体也可以更有效地分配热量,通常不需要风扇和散热器。在使用宽带隙半导体设计时,系统将更加紧凑,效率更高,并且需要更小尺寸的磁性元件用于电源应用。这一切,至少部分归功于宽带隙直接带来的好处。

    与硅相比,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的电子迁移率更高,使得用这些宽带隙材料构建的器件能够以更高的开关速度工作。开关频率的增加也降低了电感,并随之减小了所需电容器的尺寸。高开关频率可减小元件尺寸,并显著降低噪声和振动。如下图所示,丰田基于碳化硅的牵引逆变器尺寸比硅(Si)制造的尺寸小约50%。

    宽带隙半导体的应用

    工业电机:宽带隙材料将在整个制造过程中使用的电机(泵、风扇、压缩机和HVAC系统)中实现更高效率的变速驱动。

    电子产品:宽带隙材料已经用于大型高效数据中心,并有望成为消费电子产品的紧凑型电源。

    电网集成:基于宽带隙的逆变器可以将太阳能和风能产生的直流电转换为家庭和企业使用的交流电,同时将损耗降低50%。宽带隙有可能将变压器尺寸减小十倍或更多。基于宽带隙的电力电子设备还可以加速高压直流电力线的发展,这将比现有的高压交流输电线路更有效地运行。

    电动汽车和插电式混合动力车:预计宽带隙材料在车辆电池充电期间可减少66%的电力损失。它们还可在将交流电转换为直流电以及在车辆使用期间操作电力牵引驱动器方面提供更高的效率。这些电子设备能够承受更高的温度,可以将汽车冷却系统的尺寸减小50%。

    电信:宽带隙半导体作为高密度功率应用、卫星通信以及高频和高功率雷达的使能材料具有巨大潜力。

    下一个前沿领域

    即使宽带隙半导体材料不断成熟,超宽带隙(Ultra Wide Bandgap, UWBG)半导体材料也即将问世。这些包括AlGaN、AlN,钻石,Ga2O3和立方氮化硼(cubic BN),也许还有其他尚未发现的东西。这些材料的带隙明显宽度超过GaN的3.4 eV,在AlN的情况下宽至6.0 eV。此外,由于器件性能的许多品质因带隙的增加而以高度非线性的方式扩大,因此这些超宽带隙材料具有比传统WBG材料优越得多的性能潜力。

    尽管在革命性设备性能改进方面具有如此巨大的潜力,但超宽带隙半导体还不成熟。虽然一些超宽带隙半导体已经成为十年或二十年的研究课题,但直到最近才有设备的演示,即使这样,也只是在世界各地的少数实验室中。因此,超宽带隙半导体目前处于80年代宽带隙半导体碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的发展阶段 — 新兴材料面临许多研究挑战,但也有机会在现有应用和迄今为止被认为不可能解决的应用领域中实现数量级的性能改进。

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