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06-18
IEEE Spectrum 金刚石半导体器件的尺寸为 4 毫米 x 4 毫米。
图片伊利诺伊大学香槟分校 Grainger 工程学院 本文是 IEEE Spectrum 与 IEEE Xplore 合作推出的独家 IEEE Journal Watch 系列的一部分。
事实证明，高压电网对于可再生能源来说更加高效。
现在，一项新的研究发现，金刚石电子器件在操纵这些网格方面可能比硅更有效。
据美国能源信息署预测，到2020年，全球电力需求将增长近50%。
与此同时，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气和计算机工程副教授Can Bayram表示：“在美国仅此一项，产生的电力就有三分之二无法到达客户手中并被浪费。
” “基于金刚石的半导体电力电子器件将使下一代无碳电网成为可能。
” — 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Can Bayram Bayram 表示，提高电网效率的一种方法是从交流电 (AC) 切换到直流电 (DC)。
直流电网将不再需要整流器将交流电转换为直流电，并且可以减少对有助于降低配电电压的变压器的需求。
Bayram 表示：“由此产生的直流电网预计将减少当今交流电网 90% 的损耗。
”此外，高压直流电网在长距离传输能源方面比交流电网更有效。
这表明它们对于太阳能和风力发电厂特别有用，因为这些发电厂通常距离其服务的客户很远。
支持这样的电网需要电力电子设备——帮助控制和引导电流的设备。
Bayram表示，电力电子目前控制着全球50%以上的电力，预计到今年这一数字将增至80%，部分原因是可再生能源的使用不断增加。
Bayram 认为，具有高电流和高电压的直流电网将需要比当前硅器件更快、更强的电力电子设备。
“我们确信基于半导体金刚石的电力电子器件将实现下一代无碳电网，”他说。
金刚石是已知最坚硬的半导体，也是最著名的热导体之一。
另外，它具有较高的击穿电压，即在导电之前可以承受较高的电压。
这些和其他特性意味着金刚石半导体器件可以在更高的电流和电压下工作，并且使用比传统电子器件更少的材料，并且仍然能够散热而不降低电气性能。
“其他明显的好处包括减少运输、安装成本以及由于系统更轻而需要更少的安装人员，”拜拉姆说。
“尽管金刚石器件本身比典型的硅器件小，但基于金刚石的转换器将具有成本竞争力。
”虽然成本更高，但半导体尺寸的减小和包括热管理在内的系统简化将显着降低总体成本。
” - Can Bayram，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 现代电子产品中最常见的元件之一是二极管。
，其中电流仅沿一个方向流动。
在电力电子器件中，帮助二极管承受高电压的一种方法是增加分隔电极层的“漂移区域”的厚度。
这是基于金刚石的器件的一个问题——增加漂移区厚度需要生长更多的金刚石并蚀刻得更深，这两者都是具有挑战性的任务。
所有这些层通常以垂直堆叠的形式生长。
在这项新研究中，研究人员转向了水平架构。
然后，他们可以通过调整电极之间的水平距离来扩大击穿电压，而不需要厚的漂移层。
“最终，我们的团队在薄至几微米的漂移层中实现了约 5,00 伏的创纪录高击穿电压，”Bayram 说。
它还具有金刚石器件中最低的漏电流，这一特性影响器件的整体效率和可靠性。
研究人员表示，他们的目标是继续优化该设备，旨在接近金刚石潜力的性能极限。
Bayram 表示：“我们相信金刚石将以超过 5 MW 的高端功率水平进入半导体市场，基于金刚石的转换器将具有成本竞争力。
尽管金刚石器件本身比典型的硅器件更昂贵，但半导体尺寸和系统简化（包括热管理）将显着降低总体成本。
”科学家们在《IEEE电子器件快报》杂志上详细介绍了他们的发现。
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