مقدمة في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض
جدول المحتويات
تُعرف أشباه الموصلات ذات الفجوة الطاقية (Eg) الأكبر من أشباه الموصلات التقليدية، والتي عادةً ما تكون في نطاق أعلى من 2 فولت (2 eV)، بأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض (WbGs).
وبالمقارنة، فإن أشباه الموصلات شائعة الاستخدام من أشباه الموصلات Si و GaAs لها فجوة تبلغ 1.1 فولت و1.43 فولت على التوالي. وقد تم تطويرها بسبب ضرورة توسيع نطاق تكنولوجيا أشباه الموصلات لتشمل المعالجة الضوئية والأجهزة عالية الطاقة والترددات العالية.
وتُعرف معظم مواد WBGS بشكل أساسي بهيكلها وخصائصها الفريدة. وقد تم تطوير تقنيات نمو مختلفة لتخليق مواد ذات خواص ممتازة وتركيز منخفض للعيوب وتحكم جيد في القياس التكافئي.
وتتميز أشباه الموصلات WBGS بخصائص إلكترونية تقع بين خصائص أشباه الموصلات التقليدية والعوازل، مما يسمح لها بالعمل عند فولتية وترددات ودرجات حرارة أعلى بكثير من المواد شبه الموصلة التقليدية مثل السيليكون وزرنيخيد الغاليوم.
تُستخدم مصابيح WBGS في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك مصابيح LED قصيرة الموجة (الخضراء إلى الأشعة فوق البنفسجية) أو الليزر والرادارات العسكرية وبعض تطبيقات الترددات اللاسلكية.
إن درجة تحملها العالية لدرجات الحرارة العالية تجعلها جذابة للغاية للتطبيقات العسكرية، كما أنها تُستخدم في تطبيقات تحويل الطاقة حيث يمكنها توفير طاقة أعلى في ظروف التشغيل العادية.
وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام مصابيح WBGS في إضاءة الحالة الصلبة، حيث يمكنها تقليل كمية الطاقة المطلوبة للإضاءة بفعالية إضاءة أقل من 20 لومن لكل واط.
تبلغ الفعالية المضيئة لمصابيح LED مع WBGS في حدود 160 لومن لكل واط.
يمكن تخصيص فجوة الطاقة في WBGS مع ذرات المجموعة الثالثة (Al، Ga، In) والخامسة (N، P، As، Sb) ذات فجوة نطاق عالية. تشكيل السبائك الثلاثية والرباعية من المجموعة III-V وأشباه الموصلات المركبة II-VI.
وتتيح فجوة النطاق الأوسع وبالتالي التوليد الحراري المنخفض لحاملات الشحنة تشغيل WBGS في درجات حرارة أعلى بكثير، على سبيل المثال حتى 300 درجة مئوية أو حتى 900 درجة مئوية.
يتيح جهد الانهيار العالي وسرعة الانجراف العالية التشغيل بترددات تبديل عالية (>20 كيلو هرتز) وفولتية وتيارات أعلى مقارنةً بأشباه الموصلات التقليدية.
تشمل المواد الأكثر شيوعًا في WBG الماس وكربيد السيليكون (SiC) وهي الخيار الأول للأجهزة عالية الأداء.
تُستخدم هذه المواد في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك تطبيقات التبديل في درجات الحرارة العالية والطاقة، وإضاءة الحالة الصلبة ومعالجة إشارات الترددات اللاسلكية (RF).
تتمتع WBGS أيضًا بسرعة عالية من الإلكترونات الحرة، مما يسمح لها بالعمل بسرعات تبديل أعلى، مما يجعلها ذات قيمة للتطبيقات اللاسلكية.
يمكن استخدام وحدة WBG واحدة لنظام لاسلكي كامل، مما يلغي الحاجة إلى مكونات إشارات وترددات لاسلكية منفصلة أثناء التشغيل بترددات ومستويات طاقة أعلى.
تُستخدم WBGs في العديد من التطبيقات الإلكترونية والإلكترونية الضوئية (الشكل 2).
تطبيقات أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض
التطبيقات الإلكترونية لأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض
- إلكترونيات الطاقة:
- تتيح المكونات ذات الفجوة الواسعة النطاق كفاءة طاقة أعلى وكثافة طاقة أعلى ودرجات حرارة تشغيل أعلى في المحولات والمحولات ومحركات المحركات.
- الحوسبة:
- تعمل وظائف التحويل عالية السرعة للترانزستورات ذات الفجوة الواسعة على تحسين أداء الحوسبة.
- دوائر الراديو:
- يعد التشغيل عالي التردد واستهلاك الطاقة الفعال ضروريان لأنظمة الاتصالات اللاسلكية.
- دوائر تحويل البيانات:
- تحسين سرعة ودقة المحولات من تناظري إلى رقمي ومن رقمي إلى تمثيلي.
- ذاكرة فلاش:
- تتميز رقاقات الذاكرة ذات فجوة النطاق العريض بسرعات قراءة وكتابة أعلى، وعمر خدمة أطول واستهلاك أقل للطاقة.
- واجهات الاستشعار:
- تعمل مكونات فجوة النطاق العريضة على تحسين حساسية المستشعر ووظائف الواجهة.
التطبيقات الإلكترونية الضوئية لأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض
- التصوير:
- تتيح الأجهزة ذات الفجوة الواسعة النطاق أنظمة تصوير عالية الدقة والحساسية للتطبيقات العلمية والطبية والصناعية.
- الاتصالات الضوئية:
- الأجهزة البصرية السريعة والفعالة ضرورية لنقل البيانات في شبكات الاتصالات الحديثة.
- تقنية الاستشعار البصري:
- توفر أجهزة الكشف الضوئي ذات فجوة الحزمة العريضة حلول استشعار دقيقة وموثوقة للمراقبة البيئية والصناعية.
- دوائر تحويل البيانات:
- تحسين سرعة ودقة المحولات من تناظري إلى رقمي ومن رقمي إلى تمثيلي.
- التصوير الطبي الحيوي:
- تساهم أجهزة التصوير عالية الجودة في التقدم في التشخيص الطبي والأبحاث الطبية.
- الدوائر الضوئية المتكاملة:
- تتيح المواد ذات فجوة النطاق العريضة دوائر ضوئية مدمجة وفعالة لمعالجة البيانات والاتصالات.
- تقنية العرض:
- يتم تحقيق شاشات العرض الموفرة للطاقة مع تحسين دقة الألوان والوضوح من خلال استخدام مكونات ذات فجوة واسعة النطاق.
تعديل فجوة الطاقة واختيار المواد
هناك المزيد من تطبيقات WBG القائمة على المواد أكثر من نظيراتها التقليدية القائمة على السيليكون.
بعض التطبيقات بالإضافة إلى تلك الموضحة في الشكل أعلاه هي: حلول الطاقة الشمسية، محولات السلسلة أحادية الطور، ومحولات السلسلة ثلاثية الطور، واستخدام طاقة الرياح، والطاقة الإضافية، والطاقة النووية، والتبديل السريع، وطاقة رفوف الخوادم.
بعض التطبيقات الأخرى هي حلول لكهربة وسائل النقل، مثل الطاقة المساعدة للسيارات الكهربائية (EV)، ومحولات الجر، وشواحن السيارات الكهربائية، ومولدات بدء التشغيل، والشواحن على متن الطائرة.
تقنيات وأدوات التحليل الحراري
تُعد تقنيات التحليل الحراري ضرورية لفهم السلوك الحراري لمواد WBG وضمان أدائها الأمثل في الأجهزة الإلكترونية.
فهي تمكّن الباحثين والمهندسين من تطوير وتحسين أجهزة WBG لمختلف التطبيقات، على سبيل المثال في إلكترونيات الطاقة وأجهزة الترددات اللاسلكية والطاقة والبطاريات.
تتضمن تقنيات التحليل الحراري المستخدمة في تحليل WBGS ما يلي
- قياس المقاومة الحرارية
- قياس التوصيل الحراري
- قياس مقاومة الطبقة الحدودية الحرارية
- الإدارة الحرارية والتعبئة والتغليف
تقدم شركة لينسيس للتحليل الحراري مجموعة من الأدوات لتحليل الموصلية/المقاومة الحرارية وتحليل المواد الحرارية الكهربائية.
صُممت هذه الأدوات لتحليل المواد في مجال الأبحاث ومراقبة الجودة وتستخدم في صناعات مختلفة مثل الصناعات الكيميائية والسيارات والبوليمر والإلكترونيات.
- مقاييس التوصيل الحراري:
- تقيس هذه الأجهزة خصائص انتقال الحرارة مثل التوصيل الحراري أو الانتشار الحراري أو السعة الحرارية النوعية وتوفر معلومات حول قدرة البوليمر الحراري العالمي على تخزين ونقل الحرارة أو درجة الحرارة. لدى لينسيس مجموعة واسعة من أجهزة قياس التوصيل الحراري لتحليل المواد ذات الموصلية الحرارية العالمية، مثل
- محلل وميض الليزر (LFA) وجهاز الجسر الساخن العابر (THB) والتي تمكن من تحديد الانتشار الحراري والتوصيل الحراري و وتحديد السعة الحرارية النوعية بدقة عالية.
- محلل ترددات الليزر للأغشية الرقيقة (TF-LFA ) و محلل الأغشية الرقيقة (TFA) مصممان لقياس الانتشار الحراري والتوصيل الحراري للأغشية الرقيقة في نطاق ميكرومتر إلى نانومتر، والتي تستخدم بشكل متكرر في الصناعة بمساعدة الكمبيوتر، على سبيل المثال.
- تقيس هذه الأجهزة خصائص انتقال الحرارة مثل التوصيل الحراري أو الانتشار الحراري أو السعة الحرارية النوعية وتوفر معلومات حول قدرة البوليمر الحراري العالمي على تخزين ونقل الحرارة أو درجة الحرارة. لدى لينسيس مجموعة واسعة من أجهزة قياس التوصيل الحراري لتحليل المواد ذات الموصلية الحرارية العالمية، مثل
- أجهزة التحليل الكهروحرارية:
- تقيس هذه الأجهزة المقاومة الكهربية، و معامل سيبيك و وقيمة ZT وقيمة ومعامل هول وبالتالي توفير معلومات حول التوصيلية الكهربائية وتركيز الشحنة الحاملة والحركية. تشمل أجهزة الاختبار هذه أجهزة اختبار لينسيس LSR-1 و LSR-3 (أجهزة قياس سيبيك ومقاومة لينسيس) و سلسلة HCS (نظام توصيف هول).
الملخص
باختصار، غالبًا ما يكون لدى WBGS سرعات عالية للإلكترونات الحرة التي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على أداء الأجهزة الإلكترونية. وتسمح لها فجوة النطاق الأوسع بالعمل عند فولتية وترددات ودرجات حرارة أعلى مع التعامل مع مستويات طاقة أعلى في ظروف التشغيل العادية.
وهي ذات قيمة كبيرة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك التطبيقات العسكرية واللاسلكية وتحويل الطاقة وإضاءة الحالة الصلبة.
المصادر:
- جوش بيري، تبريد مواد ذات فجوة واسعة النطاق في إلكترونيات الطاقة 15 يونيو 2018.
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang & Xiaohang Li, Wide bandgap semiconductor based
دوائر متكاملة. رقاقة 2، 100072 (2023). - ماريا كاتسيكيني، مواد ذات فجوة نطاق عريض، التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية لأشباه الموصلات، 2015، المجلد 190. ISBN: 978-3-662-44361-3.
- Yuan Qin, etal. الإدارة الحرارية والتغليف الحراري لأجهزة الطاقة ذات فجوة النطاق العريض والعريض للغاية: مراجعة ومنظور J. Phys. D. D: Appl. Phys. 56 (2023) 093001 (23 صفحة).
- أنوشري راماناث- مقال تقني عن تطبيقات أجهزة فجوة النطاق العريض 30 ديسمبر 2021.
