Geniş bant aralıklı yarı iletkenlere giriş
İçindekiler
Geleneksel yarı iletkenlerden daha büyük bir enerji boşluğuna (Eg) sahip, tipik olarak 2 eV’nin üzerinde olan yarı iletkenler, geniş bant aralıklı yarı iletkenler ( WbG’ler) olarak bilinir.
Buna karşılık, yaygın olarak kullanılan yarı iletkenler Si ve GaAs sırasıyla 1,1 eV ve 1,43 eV’lik bir and aralığına sahiptir. Yarı iletken teknolojisinin optik manipülasyona ve yüksek güçlü ve yüksek frekanslı cihazlara genişletilmesi gerektiği için geliştirilmişlerdir.
Çoğu WBGS esasen yapıları ve benzersiz özellikleriyle bilinir. Mükemmel özelliklere, düşük kusur konsantrasyonuna ve stokiyometrilerinin iyi kontrolüne sahip malzemeleri sentezlemek için çeşitli büyütme teknikleri geliştirilmiştir.
WBGS, geleneksel yarı iletkenler ve yalıtkanlar arasında yer alan elektronik özelliklere sahiptir ve silikon ve galyum arsenit gibi geleneksel yarı iletken malzemelerden çok daha yüksek voltajlarda, frekanslarda ve sıcaklıklarda çalışmalarına olanak tanır.
WBGS, kısa dalga (yeşil ila UV) LED’ler veya lazerler, askeri radarlar ve belirli radyo frekansı uygulamaları dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılır.
Yüksek sıcaklık toleransları onları askeri uygulamalar için çok cazip hale getirir ve normal çalışma koşullarında daha yüksek güç sağlayabildikleri güç dönüştürme uygulamalarında da kullanılırlar.
Buna ek olarak, WBGS, watt başına 20 lümenden daha az ışık verimliliği ile aydınlatma için gereken enerji miktarını azaltma potansiyeline sahip oldukları katı hal aydınlatmasında kullanılabilir.
WBGS ‘li LED’lerin ışık etkinliği watt başına 160 lümen mertebesindedir.
WBGS ‘nin enerji aralığı, yüksek bant aralığına sahip grup III (Al, Ga, In) ve V (N, P, As, Sb) atomları ile özelleştirilebilir. Üçlü ve dörtlü III-V alaşımlarının ve II-VI bileşik yarı iletkenlerinin oluşumu.
Daha geniş bant aralığı ve dolayısıyla yük taşıyıcılarının daha düşük termal üretimi, WBGS’nin çok daha yüksek sıcaklıklarda, örneğin 300 °C veya hatta 900 °C’ye kadar çalışmasını sağlar.
Yüksek kırılma gerilimi ve yüksek sürüklenme hızı, geleneksel yarı iletkenlere kıyasla yüksek anahtarlama frekanslarında (>20 kHz) ve daha yüksek gerilim ve akımlarda çalışmayı sağlar.
En yaygın WBG malzemeleri arasında elmas ve silisyum karbür (SiC) yer alır ve yüksek performanslı cihazlar için ilk tercihtir.
Bu malzemeler, yüksek sıcaklık ve güç anahtarlama uygulamaları, katı hal aydınlatması ve radyo frekansı (RF) sinyal işleme dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır.
WBGS ayrıca yüksek serbest elektron hızına sahiptir, bu da daha yüksek anahtarlama hızlarında çalışmalarına olanak tanıyarak onları radyo uygulamaları için değerli kılar.
Tek bir WBG modülü, daha yüksek frekanslarda ve güç seviyelerinde çalışırken ayrı sinyalizasyon ve radyo frekansı bileşenlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak eksiksiz bir radyo sistemi için kullanılabilir.
WBG ‘ler çok sayıda elektronik ve optoelektronik uygulamada kullanılmaktadır (Şekil 2).
Geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin uygulamaları
Geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin elektronik uygulamaları
- Güç elektroniği:
- Geniş bant aralıklı bileşenler, dönüştürücülerde, invertörlerde ve motor sürücülerinde daha yüksek enerji verimliliği, güç yoğunluğu ve daha yüksek çalışma sıcaklıkları sağlar.
- Bilgisayar:
- Geniş bant aralıklı transistörlerin yüksek hızlı anahtarlama işlevleri bilgi işlem performansını artırır.
- Radyo devreleri:
- Yüksek frekanslı çalışma ve verimli güç tüketimi kablosuz iletişim sistemleri için çok önemlidir.
- Veri dönüştürücü devreleri:
- Analogdan dijitale ve dijitalden analoğa dönüştürücülerin hızı ve hassasiyeti artırıldı.
- Flash bellek:
- Geniş bant aralıklı bellek yongaları daha yüksek okuma ve yazma hızları, daha uzun hizmet ömrü ve daha düşük güç tüketimi ile karakterize edilir.
- Sensör arayüzleri:
- Geniş bant aralıklı bileşenler sensör hassasiyetini ve arayüz işlevlerini iyileştirir.
Geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin optoelektronik uygulamaları
- Görüntüleme:
- Geniş bant aralıklı cihazlar bilimsel, tıbbi ve endüstriyel uygulamalar için yüksek çözünürlüklü ve yüksek hassasiyetli görüntüleme sistemleri sağlar.
- Optik iletişim:
- Hızlı ve verimli optik cihazlar, modern iletişim ağlarında veri iletimi için gereklidir.
- Optik sensör teknolojisi:
- Geniş bant aralıklı fotodetektörler, çevresel ve endüstriyel izleme için doğru ve güvenilir sensör çözümleri sağlar.
- Veri dönüştürücü devreleri:
- Analogdan dijitale ve dijitalden analoğa dönüştürücülerin hızı ve hassasiyeti artırıldı.
- Biyomedikal görüntüleme:
- Yüksek kaliteli görüntüleme cihazları, tıbbi teşhis ve araştırma alanındaki ilerlemelere katkıda bulunur.
- Fotonik entegre devreler:
- Geniş bant aralığına sahip malzemeler, veri işleme ve iletişim için kompakt ve verimli fotonik devreler sağlar.
- Ekran teknolojisi:
- Gelişmiş renk doğruluğu ve çözünürlüğe sahip enerji tasarruflu ekranlar, geniş bant aralıklı bileşenlerin kullanılmasıyla elde edilir.
Enerji boşluğunun ayarlanması ve malzeme seçimi
Geleneksel silikon tabanlı muadillerine kıyasla daha fazla malzeme tabanlı WBG uygulaması vardır.
Yukarıdaki şekilde gösterilenlere ek olarak bazı uygulamalar şunlardır: Güneş enerjisi çözümleri, tek fazlı dizi inverterler, üç fazlı dizi inverterler, rüzgar enerjisi kullanımı, yardımcı güç, nükleer güç, hot-swap, sunucu rafı gücü.
Diğer bazı uygulamalar, elektrikli araçlar (EV) için yardımcı güç, çekiş invertörleri, EV şarj cihazları, marş jeneratörleri ve yerleşik şarj cihazları gibi ulaşımın elektrifikasyonuna yönelik çözümlerdir.
Termal analiz teknikleri ve cihazları
Termal analiz teknikleri, WBG malzemelerinin termal davranışlarını anlamak ve elektronik cihazlarda optimum performans göstermelerini sağlamak için çok önemlidir.
Araştırmacıların ve mühendislerin güç elektroniği, RF ve güç cihazları ve piller gibi çeşitli uygulamalar için WBG cihazları geliştirmelerini ve optimize etmelerini sağlar.
WBGS analizi için kullanılan termal analiz teknikleri şunları içerir
- Termal direnç ölçümü
- Termal iletkenlik ölçümü
- Termal sınır tabaka direnci ölçümü
- Termal yönetim ve paketleme
Linseis Termal Analiz, WBGS termal iletkenlik/direnç analizi ve termoelektrik malzemelerin analizi için bir dizi cihaz sunmaktadır.
Bu cihazlar, araştırma ve kalite kontrolde malzeme analizi için tasarlanmıştır ve kimya, otomotiv, polimer ve elektronik endüstrileri gibi çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır.
- Termal iletkenlik ölçerler:
- Bu cihazlar termal iletkenlik, termal difüzivite veya özgül ısı kapasitesi gibi ısı transfer özelliklerini ölçer ve bir WBGS‘nin ısı veya sıcaklık depolama ve transfer etme yeteneği hakkında bilgi sağlar. Linseis, WBGS‘yi analiz etmek için çok çeşitli termal iletkenlik ölçüm cihazlarına sahiptir, örneğin
- Lazer Flaş Analizörü (LFA) ve Geçici Sıcak Köprü (THB) termal difüzivite, termal iletkenlik ve termal iletkenlik değerlerinin belirlenmesini sağlayan bir yöntemdir. özgül ısı kapasitesinin belirlenmesi yüksek doğrulukla.
- İnce Film Lazer Frekans Analizörü (TF-LFA) ve İnce Film Analizörü (TFA) örneğin bilgisayar destekli endüstride sıklıkla kullanılan µm ila nm aralığındaki ince filmlerin termal difüzivitesini ve termal iletkenliğini ölçmek için tasarlanmıştır.
- Bu cihazlar termal iletkenlik, termal difüzivite veya özgül ısı kapasitesi gibi ısı transfer özelliklerini ölçer ve bir WBGS‘nin ısı veya sıcaklık depolama ve transfer etme yeteneği hakkında bilgi sağlar. Linseis, WBGS‘yi analiz etmek için çok çeşitli termal iletkenlik ölçüm cihazlarına sahiptir, örneğin
- Termoelektrik analizörler:
- Bu cihazlar elektrik direncini ölçer, elektriksel Seebeck katsayısı, the ZT değeri ve Hall katsayısı hakkında bilgi sağlar ve böylece elektriksel iletkenlikyük taşıyıcı konsantrasyonu ve hareketlilik. Bu test cihazları arasında Linseis LSR-1, LSR-3 (Linseis Seebeck ve direnç ölçüm cihazları) ve HCS serisi (Hall Karakterizasyon Sistemi).
Özet
Özetle, WBGS genellikle elektronik cihazların performansını önemli ölçüde etkileyebilecek yüksek serbest elektron hızlarına sahiptir. Daha geniş bant aralığı, normal çalışma koşulları altında daha yüksek güç seviyelerini idare ederken daha yüksek voltajlarda, frekanslarda ve sıcaklıklarda çalışmalarına olanak tanır.
Askeri, kablosuz, güç dönüşümü ve katı hal aydınlatması dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda son derece değerlidirler.
Kaynaklar:
- Josh Perry, Cooling Wide-Bandgap Materials in Power Electronics 15 Haziran 2018.
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang & Xiaohang Li, Geniş bant aralıklı yarı iletken tabanlı
entegre devreler. Chip 2, 100072 (2023). - Maria Katsikini, Wide Band Gap Materials, X-Ray Absorption Spectroscopy of Semiconductors, 2015, Volume 190. ISBN: 978-3-662-44361-3.
- Yuan Qin, etal. Geniş ve ultra geniş bant aralıklı güç cihazlarının termal yönetimi ve paketlenmesi: bir inceleme ve perspektif J. Phys. D: Appl. Phys. 56 (2023) 093001 (23pp).
- Anushree Ramanath- Geniş Bant Aralıklı Cihazların Uygulamaları üzerine teknik bir makale 30 Aralık 2021.
