寬帶隙半導體
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寬帶隙半導體（也稱為WBG半導體或WBGS ）是比傳統半導體具有更大帶隙的半導體材料。硅等傳統半導體的帶隙在 0.6 – 1.5 電子伏特 (eV) 範圍內，而寬帶隙材料的帶隙範圍在 2 eV 以上。 [1] [2]一般來說，寬帶隙半導體的電子特性介於傳統半導體和絕緣體之間。
寬帶隙半導體器件可以在比硅和砷化鎵等傳統半導體材料高得多的電壓、頻率和溫度下運行。它們是用於製造短波LED或激光器的關鍵組件，也用於某些射頻應用，特別是軍用雷達。它們的內在品質使其適用於廣泛的其他應用，並且它們是通用半導體用途的下一代器件的主要競爭者之一。
更寬的帶隙對高溫使用（300 度以上）尤其重要。這使得它們對軍事應用極具吸引力，並在軍事實踐中得到了相當多的使用。耐高溫還意味着這些設備在正常條件下可以在更高的功率下運行。此外，大多數寬帶隙材料還具有更高的臨界電場密度，約為傳統半導體的10倍。這些特性相結合，使它們能夠在更高的電壓和電流下工作，這使得它們在軍事、無線電和電源轉換應用中具有極高的價值。美國能源部相信它們將成為新型電網和替代能源設備的基礎技術，以及用於從插電式電動汽車到電動火車的大功率車輛中的強大而高效的電力組件。 [3]大多數寬帶隙材料還具有高自由電子速度，這使得它們能夠以更高的開關速度工作，這增加了它們在無線電應用中的價值。單個 WBG 器件可用於構建完整的無線電系統，無需單獨的信號和射頻組件，同時可以在更高的頻率和功率水平下運行。
寬帶隙材料的研發落後於傳統半導體，而傳統半導體的研發自 20 世紀 70 年代以來就獲得了大量投資。然而，它們在許多應用中具有明顯的固有優勢，再加上傳統半導體中不具備的一些獨特特性，使得人們對其在日常電子設備中代替硅這一話題，越來越感興趣。它們能處理更高功率密度的應用場景，有利於維持摩爾定律的，因為傳統技術似乎已達到密度極限。 [4]
應用設備
[編輯]寬帶隙材料具有多種特性，使其比窄帶隙材料更有用。更高的能隙使器件能夠在更高的溫度下運行， [5]因為帶隙通常會隨着溫度的升高而縮小，這在使用傳統半導體時可能會出現問題。對於某些應用，寬帶隙材料允許設備切換更大的電壓。寬帶隙還將電子躍遷能量帶入可見光能量範圍，因此用寬帶隙半導體製成的發光二極管（LED）和半導體激光器等發光器件，在可見光譜範圍內發光，甚至產生紫外線輻射。與發光效率低於每瓦 20 流明的白熾燈相比，使用寬帶隙半導體的固態照明可以減少提供照明所需的能量。 LED 的功效約為每瓦 160 流明。寬帶隙半導體還可用於射頻信號處理。傳統的硅基功率晶體管已經工作頻率、擊穿電壓和功率密度的極限，而寬帶隙材料可用於高溫和功率開關應用。
寬帶隙半導體在傳統技術中並未被視為新式可再生熱電能源設備的製造材料。然而，根據麻省理工學院的唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的「唐-崔瑟豪斯理論」，[6][7] 提高電子-空穴的非對稱性、增加有效帶隙、帶邊對齊等方法在大多數半導體材料中均可以提高熱電機中發電材料系統的能源轉換率，既優化了電子的貢獻，又兼顧了晶格的作用。增加的熱導率可以通過納米結構化、納米複合化來抵消，同時也能進一步增加晶界在過濾電子和空穴時的不對成性。[8][9] 這些都說明，寬帶隙半導體可以用以研發和製造高性能的熱電能源轉換器，特別是在高溫的應用場景，如工業廢熱回收 、發動機效率提升、放射性同位素熱電機等。
材料
[編輯]有許多具有高帶隙的 III-V 族和 II-VI 族化合物半導體。在III-V族半導體家族中，氮化鋁（AlN）用於製造波長低至200-250 nm的紫外LED ，氮化鎵（GaN）用於製造藍色LED和激光二極管，氮化硼（BN）用於製造藍色LED。
應用領域
[編輯]高功率應用
[編輯]發光二極管
[編輯]傳感器
[編輯]高電子遷移率晶體管
[編輯]重要的寬帶隙半導體
[編輯]參考
[編輯]- ^ Yoshikawa, A. Yoshikawa, A.; Matsunami, H.; Nanishi, Y. , 編. Development and Applications of Wide Bandgap Semiconductors. Springer. 2007: 2. ISBN 978-3-540-47235-3.
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- ^ Wide Bandgap Semiconductors: Pursuing the Promise (DOE/EE-0910) (PDF). DOE Advanced Manufacturing Office. April 2013 [2014-09-03]. （原始內容存檔 (PDF)於2023-05-24）.
- ^ Gallagher, Sean. A reprieve for Moore's Law: milspec chip writes computing's next chapter. Ars Technica. 9 June 2016 [2023-07-26]. （原始內容存檔於2023-05-29）.
- ^ Kirschman, Randall (編), High-Temperature Electronics, NY: IEEE Press, 1999, ISBN 0-7803-3477-9
- ^ Dresselhaus, Mildred. New Ideas for Advancing Thermoelectric Performance. mrs.digitellinc.com. Materials Research Society. [October 13, 2020]. （原始內容存檔於2023-06-19）.
- ^ Liu, Weishu. New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective. Materials Today Physics. 2017, 1: 50–60 [2023-07-26]. doi:10.1016/j.mtphys.2017.06.001. （原始內容存檔於2023-06-19）.
- ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Building the Principle of Thermoelectric ZT Enhancement. 2014. arXiv:1406.1842
[cond-mat.mtrl-sci].
- ^ Tang, Shuang. Using Pseudo-ZTs for Thermoelectric Materials Search (PDF). ES Materials & Manufacturing. 2019, 4: 45–50 [2023-07-26]. S2CID 210801068. doi:10.30919/esmm5f213. （原始內容存檔 (PDF)於2022-08-02）.
