Wprowadzenie do półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym
Spis treści
Półprzewodniki o większej przerwie energetycznej (Eg) niż konwencjonalne półprzewodniki, zazwyczaj w zakresie powyżej 2 eV, znane są jako półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym (WbG).
Dla porównania, powszechnie stosowane półprzewodniki Si i GaAs mają przerwę wzbronioną odpowiednio 1,1 eV i 1,43 eV. Zostały one opracowane, ponieważ technologia półprzewodnikowa musiała zostać rozszerzona na manipulacje optyczne oraz urządzenia o dużej mocy i wysokiej częstotliwości.
Większość WBGS jest zasadniczo znana ze swojej struktury i unikalnych właściwości. Opracowano różne techniki wzrostu w celu syntezy materiałów o doskonałych właściwościach, niskim stężeniu defektów i dobrej kontroli ich stechiometrii.
WBGS mają właściwości elektroniczne, które leżą pomiędzy właściwościami konwencjonalnych półprzewodników i izolatorów, co pozwala im pracować przy znacznie wyższych napięciach, częstotliwościach i temperaturach niż konwencjonalne materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem i arsenek galu.
WBGS są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym w krótkofalowych (od zielonego do UV) diodach LED lub laserach, radarach wojskowych i niektórych zastosowaniach radiowych.
Ich wysoka tolerancja temperaturowa czyni je bardzo atrakcyjnymi dla zastosowań wojskowych, a także są wykorzystywane w aplikacjach konwersji mocy, gdzie mogą dostarczać wyższą moc w normalnych warunkach pracy.
Ponadto WBGS mogą być stosowane w oświetleniu półprzewodnikowym, gdzie mogą potencjalnie zmniejszyć ilość energii wymaganej do oświetlenia o skuteczności świetlnej mniejszej niż 20 lumenów na wat.
Skuteczność świetlna diod LED z WBGS jest rzędu 160 lumenów na wat.
Przerwa energetyczna WBGS może być dostosowywana za pomocą atomów z grupy III (Al, Ga, In) i V (N, P, As, Sb) o wysokiej przerwie energetycznej. Tworzenie trójskładnikowych i czwartorzędowych stopów III-V i półprzewodników złożonych II-VI.
Szersza przerwa pasmowa, a tym samym niższa termiczna generacja nośników ładunku, umożliwia działanie WBGS w znacznie wyższych temperaturach, np. do 300 °C lub nawet 900 °C.
Wysokie napięcie przebicia i wysoka prędkość dryftu umożliwiają pracę przy wysokich częstotliwościach przełączania (>20 kHz) oraz wyższych napięciach i prądach w porównaniu do konwencjonalnych półprzewodników.
Najpopularniejsze materiały WBG obejmują diament i węglik krzemu (SiC) i są pierwszym wyborem dla urządzeń o wysokiej wydajności.
Materiały te są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym w aplikacjach wysokotemperaturowych i przełączania mocy, oświetleniu półprzewodnikowym i przetwarzaniu sygnałów o częstotliwości radiowej (RF).
WBGS mają również wysoką prędkość swobodnych elektronów, co pozwala im działać przy wyższych prędkościach przełączania, co czyni je cennymi w zastosowaniach radiowych.
Pojedynczy moduł WBG może być wykorzystany w kompletnym systemie radiowym, eliminując potrzebę stosowania oddzielnych komponentów sygnalizacyjnych i częstotliwości radiowych podczas pracy przy wyższych częstotliwościach i poziomach mocy.
WBG są wykorzystywane w wielu aplikacjach elektronicznych i optoelektronicznych (rys. 2).
Zastosowania półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym
Elektroniczne zastosowania półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym
- Elektronika mocy:
- Komponenty o szerokim paśmie przenoszenia zapewniają wyższą wydajność energetyczną, gęstość mocy i wyższe temperatury pracy w konwerterach, falownikach i napędach silnikowych.
- Obliczenia:
- Szybkie funkcje przełączania tranzystorów szerokopasmowych poprawiają wydajność obliczeniową.
- Obwody radiowe:
- Wysoka częstotliwość pracy i efektywne zużycie energii są niezbędne w systemach komunikacji bezprzewodowej.
- Obwody konwertera danych:
- Większa szybkość i precyzja przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych.
- Pamięć flash:
- Układy pamięci z szerokim pasmem przenoszenia charakteryzują się wyższymi prędkościami odczytu i zapisu, dłuższą żywotnością i niższym zużyciem energii.
- Interfejsy czujników:
- Komponenty o szerokim paśmie przenoszenia poprawiają czułość czujnika i funkcje interfejsu.
Optoelektroniczne zastosowania półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym
- Obrazowanie:
- Urządzenia z szerokim pasmem przenoszenia umożliwiają stosowanie systemów obrazowania o wysokiej rozdzielczości i czułości w zastosowaniach naukowych, medycznych i przemysłowych.
- Komunikacja optyczna:
- Szybkie i wydajne urządzenia optyczne są niezbędne do transmisji danych w nowoczesnych sieciach komunikacyjnych.
- Technologia czujników optycznych:
- Fotodetektory o szerokim paśmie przenoszenia zapewniają dokładne i niezawodne rozwiązania czujników do monitorowania środowiska i przemysłu.
- Obwody konwertera danych:
- Większa szybkość i precyzja przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych.
- Obrazowanie biomedyczne:
- Wysokiej jakości urządzenia do obrazowania przyczyniają się do postępów w diagnostyce medycznej i badaniach naukowych.
- Fotoniczne układy scalone:
- Materiały o szerokim paśmie przenoszenia umożliwiają tworzenie kompaktowych i wydajnych obwodów fotonicznych do przetwarzania danych i komunikacji.
- Technologia wyświetlania:
- Energooszczędne wyświetlacze z lepszą dokładnością kolorów i rozdzielczością uzyskuje się dzięki zastosowaniu komponentów o szerokim paśmie przenoszenia.
Regulacja przerwy energetycznej i wybór materiału
Istnieje więcej implementacji WBG opartych na materiałach niż tradycyjnych odpowiedników opartych na krzemie.
Niektóre z zastosowań oprócz tych przedstawionych na powyższym rysunku to: Rozwiązania w zakresie energii słonecznej, jednofazowe falowniki łańcuchowe, trójfazowe falowniki łańcuchowe, wykorzystanie energii wiatrowej, zasilanie pomocnicze, zasilanie jądrowe, hot-swap, zasilanie szaf serwerowych.
Inne zastosowania to rozwiązania do elektryfikacji transportu, takie jak zasilanie pomocnicze dla pojazdów elektrycznych (EV), falowniki trakcyjne, ładowarki EV, generatory rozruchowe i ładowarki pokładowe.
Techniki i przyrządy do analizy termicznej
Techniki analizy termicznej mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia zachowania termicznego materiałów WBG i zapewnienia ich optymalnej wydajności w urządzeniach elektronicznych.
Umożliwiają one badaczom i inżynierom opracowywanie i optymalizację urządzeń WBG do różnych zastosowań, np. w energoelektronice, urządzeniach RF i mocy oraz bateriach.
Techniki analizy termicznej stosowane w analizie WBGS obejmują
- Pomiar rezystancji termicznej
- Pomiar przewodności cieplnej
- Pomiar rezystancji termicznej warstwy granicznej
- Zarządzanie temperaturą i pakowanie
Linseis Thermal Analysis oferuje szereg przyrządów do analizy WBGS przewodności/oporności cieplnej i analizy materiałów termoelektrycznych.
Przyrządy te są przeznaczone do analizy materiałów w badaniach i kontroli jakości i są stosowane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak przemysł chemiczny, motoryzacyjny, polimerowy i elektroniczny.
- Mierniki przewodności cieplnej:
- Urządzenia te mierzą właściwości przenoszenia ciepła, takie jak przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna lub pojemność cieplna właściwa i dostarczają informacji o zdolności WBGS do magazynowania i przenoszenia ciepła lub temperatury. Linseis posiada szeroką gamę urządzeń do pomiaru przewodności cieplnej do analizy WBGS, takich jak
- Laserowy analizator błysku (LFA) i Transient Hot Bridge (THB) metoda, która umożliwia określenie dyfuzyjności cieplnej, przewodności cieplnej i ciepła właściwego z wysoką dokładnością.
- Cienkowarstwowy laserowy analizator częstotliwości (TF-LFA) i Thin Film Analyser (TFA) są przeznaczone do pomiaru dyfuzyjności cieplnej i przewodności cieplnej cienkich warstw w zakresie od µm do nm, które są często stosowane na przykład w przemyśle wspomaganym komputerowo.
- Urządzenia te mierzą właściwości przenoszenia ciepła, takie jak przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna lub pojemność cieplna właściwa i dostarczają informacji o zdolności WBGS do magazynowania i przenoszenia ciepła lub temperatury. Linseis posiada szeroką gamę urządzeń do pomiaru przewodności cieplnej do analizy WBGS, takich jak
- Analizatory termoelektryczne:
- Urządzenia te mierzą opór elektryczny, współczynnik współczynnik Seebecka , wartość wartość ZT i współczynnik Halla a tym samym dostarczają informacji na temat przewodności elektrycznej koncentracji nośników ładunku i ruchliwości. Te urządzenia testowe obejmują Linseis LSR-1, LSR-3 (Linseis Seebeck i urządzenia do pomiaru rezystancji) oraz seria HCS (System Charakteryzacji Halla).
Podsumowanie
Podsumowując, WBGS często charakteryzują się wysokimi prędkościami swobodnych elektronów, które mogą znacząco wpływać na wydajność urządzeń elektronicznych. Szersze pasmo przenoszenia pozwala im działać przy wyższych napięciach, częstotliwościach i temperaturach, jednocześnie obsługując wyższe poziomy mocy w normalnych warunkach pracy.
Są one niezwykle cenne w różnych zastosowaniach, w tym wojskowych, bezprzewodowych, konwersji mocy i oświetleniu półprzewodnikowym.
Źródła:
- Josh Perry, Cooling Wide-Bandgap Materials in Power Electronics, 15 czerwca 2018 r.
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang & Xiaohang Li, Wide bandgap semiconductor based
integrated circuits. Chip 2, 100072 (2023). - Maria Katsikini, Wide Band Gap Materials, X-Ray Absorption Spectroscopy of Semiconductors, 2015, tom 190, ISBN: 978-3-662-44361-3.
- Yuan Qin, etal. Zarządzanie termiczne i pakowanie urządzeń zasilających o szerokim i ultraszerokim paśmie wzbronionym: przegląd i perspektywa J. Phys. D: Appl. Phys. 56 (2023) 093001 (23pp).
- Anushree Ramanath – artykuł techniczny na temat zastosowań urządzeń o szerokim paśmie 30 grudnia 2021 r.
