Широкозонные полупроводники (также известные как WBG- полупроводники или WBGS ) — это полупроводниковые материалы , имеющие большую ширину запрещенной зоны, чем обычные полупроводники. Обычные полупроводники, такие как кремний и селен, имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне 0,7–1,5 электронвольта (эВ), тогда как широкозонные материалы имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне более 2 эВ. [1] [2] Как правило, широкозонные полупроводники имеют электронные свойства, которые находятся между свойствами обычных полупроводников и изоляторов .
Широкозонные полупроводники позволяют устройствам работать при гораздо более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем обычные полупроводниковые материалы, такие как кремний и арсенид галлия . Они являются ключевым компонентом, используемым для изготовления коротковолновых (зеленый УФ) светодиодов или лазеров , а также используются в некоторых радиочастотных приложениях, в частности, в военных радарах . Их внутренние качества делают их пригодными для широкого спектра других приложений, и они являются одними из ведущих претендентов на устройства следующего поколения для общего использования полупроводников.
Более широкая запрещенная зона особенно важна для того, чтобы устройства, которые их используют, могли работать при гораздо более высоких температурах, порядка 300 °C. Это делает их весьма привлекательными для военных приложений, где они нашли достаточно широкое применение. Высокая температурная устойчивость также означает, что эти устройства могут работать на гораздо более высоких уровнях мощности в нормальных условиях. Кроме того, большинство материалов с широкой запрещенной зоной также имеют гораздо более высокую критическую плотность электрического поля, примерно в десять раз больше, чем у обычных полупроводников. В совокупности эти свойства позволяют им работать при гораздо более высоких напряжениях и токах, что делает их весьма ценными в военных, радио и преобразовательных приложениях. Министерство энергетики США полагает, что они станут основополагающей технологией в новых электрических сетях и устройствах альтернативной энергии , а также в качестве надежных и эффективных силовых компонентов, используемых в мощных транспортных средствах от подключаемых электромобилей до электропоездов . [3] Большинство материалов с широкой запрещенной зоной также имеют высокие скорости свободных электронов, что позволяет им работать на более высоких скоростях переключения, что увеличивает их ценность в радиоприложениях. Одно устройство WBG может быть использовано для создания полноценной радиосистемы, устраняя необходимость в отдельных сигнальных и радиочастотных компонентах, при этом работая на более высоких частотах и уровнях мощности.
Исследования и разработки широкозонных материалов отстают от исследований и разработок обычных полупроводников, в которые с 1970-х годов вкладывались огромные средства. Однако их явные неотъемлемые преимущества во многих приложениях в сочетании с некоторыми уникальными свойствами, не встречающимися в обычных полупроводниках, привели к росту интереса к их использованию в повседневных электронных устройствах вместо кремния. Их способность справляться с более высокой плотностью мощности особенно привлекательна для попыток поддержания закона Мура — наблюдаемой устойчивой скорости увеличения плотности транзисторов на интегральной схеме, которая на протяжении десятилетий удваивалась примерно каждые два года. Однако обычные технологии, по-видимому, достигают плато плотности транзисторов. [4]
Широкозонные материалы обладают несколькими характеристиками, которые делают их полезными по сравнению с узкозонными материалами. Более широкая энергетическая щель дает устройствам возможность работать при более высоких температурах, [5] поскольку запрещенные зоны обычно сжимаются с ростом температуры, что может быть проблематичным при использовании обычных полупроводников. Для некоторых приложений широкозонные материалы позволяют устройствам переключать большие напряжения. Широкозонная щель также переносит энергию электронного перехода в диапазон энергии видимого света, и, следовательно, можно изготавливать светоизлучающие устройства, такие как светодиоды (LED) и полупроводниковые лазеры , которые излучают в видимом спектре или даже производят ультрафиолетовое излучение.
Твердотельное освещение с использованием широкозонных полупроводников имеет потенциал для снижения количества энергии, необходимой для обеспечения освещения, по сравнению с лампами накаливания , которые имеют световую эффективность менее 20 люменов на ватт. Эффективность светодиодов составляет порядка 160 люменов на ватт.
Широкозонные полупроводники также могут использоваться в обработке радиочастотных сигналов . Мощные кремниевые транзисторы достигают пределов рабочей частоты, напряжения пробоя и плотности мощности . Широкозонные материалы могут использоваться в высокотемпературных и силовых коммутационных приложениях.
- Единственными материалами с широкой запрещенной зоной в группе IV являются алмаз и карбид кремния (SiC).
- Единственным полупроводниковым материалом в группе III является бор, имеющий более широкую запрещенную зону, чем кремний , селен и германий .
Существует множество полупроводниковых соединений III–V и II–VI с широкими запрещенными зонами. В семействе полупроводников III–V нитрид алюминия (AlN) используется для изготовления ультрафиолетовых светодиодов с длиной волны до 200–250 нм , нитрид галлия (GaN) используется для изготовления синих светодиодов и лазерных диодов , а нитрид бора (BN) предлагается для синих светодиодов.
Квантовая механика порождает ряд различных уровней энергии электронов, или зон , которые различаются от материала к материалу. Каждая зона может удерживать определенное количество электронов; если у атома больше электронов, то они вынуждены переходить в зоны с более высокой энергией. При наличии внешней энергии некоторые электроны будут получать энергию и возвращаться вверх по энергетическим зонам, прежде чем высвободить ее и упасть обратно в зону с более низкой энергией. При постоянном приложении внешней энергии, например тепловой энергии, присутствующей при комнатной температуре , достигается равновесие, при котором популяция электронов, движущихся вверх и вниз по зонам, одинакова.
В зависимости от распределения энергетических зон и «ширины запрещенной зоны» между ними, материалы будут иметь очень разные электрические свойства. Например, при комнатной температуре большинство металлов имеют ряд частично заполненных зон, которые позволяют добавлять или удалять электроны с небольшой приложенной энергией. При плотной упаковке электроны могут легко перемещаться от атома к атому, что делает их превосходными проводниками . Для сравнения, большинство пластиковых материалов имеют широко разнесенные энергетические уровни, которые требуют значительной энергии для перемещения электронов между их атомами, что делает их естественными изоляторами . Полупроводники — это те материалы, которые имеют оба типа зон, и при нормальных рабочих температурах некоторые электроны находятся в обеих зонах.
В полупроводниках добавление небольшого количества энергии выталкивает больше электронов в зону проводимости , делая их более проводящими и позволяя току течь как проводник. Изменение полярности этой приложенной энергии выталкивает электроны в более широко разделенные зоны, делая их изоляторами и останавливая поток. Поскольку количество энергии, необходимое для того, чтобы вытолкнуть электроны между этими двумя уровнями, очень мало, полупроводники позволяют переключаться с очень небольшими затратами энергии. Однако этот процесс переключения зависит от естественного распределения электронов между двумя состояниями, поэтому небольшие затраты вызывают быстрое изменение статистики популяции. По мере изменения внешней температуры из-за распределения Максвелла-Больцмана все больше и больше электронов обычно оказываются в одном или другом состоянии, заставляя действие переключения происходить само по себе или полностью останавливаться.
Размер атомов и число протонов в атоме являются основными предикторами прочности и расположения запрещенных зон. Материалы с небольшими атомами и сильными атомными связями связаны с широкими запрещенными зонами. Что касается соединений III-V, то нитриды связаны с самыми большими запрещенными зонами. Запрещенные зоны могут быть сконструированы путем легирования , и закон Вегарда гласит, что существует линейная связь между постоянной решетки и составом твердого раствора при постоянной температуре. Положение минимумов и максимумов зоны проводимости в зонной структуре определяет, является ли запрещенная зона прямой или непрямой , где материалы с прямой запрещенной зоной поглощают свет сильно, а материалы с непрямой запрещенной зоной поглощают менее сильно. Аналогично, материалы с прямой запрещенной зоной сильно излучают свет, в то время как полупроводники с непрямой запрещенной зоной являются плохими излучателями света, если только не добавлены легирующие примеси , которые сильно связываются со светом.
Связь между длиной волны и шириной запрещенной зоны заключается в том, что энергия запрещенной зоны — это минимальная энергия, необходимая для возбуждения электрона в зону проводимости . Для того чтобы неактивный фотон мог вызвать это возбуждение, он должен обладать по крайней мере такой энергией. В противоположном процессе, когда возбужденные пары электрон-дырка подвергаются рекомбинации , генерируются фотоны с энергиями, которые соответствуют величине запрещенной зоны.
Ширина запрещенной зоны определяет длину волны, на которой светодиоды излучают свет, и длину волны, на которой фотоэлектрические элементы работают наиболее эффективно. Поэтому широкозонные устройства полезны на более коротких длинах волн, чем другие полупроводниковые приборы. Например, ширина запрещенной зоны для GaAs в 1,4 эВ соответствует длине волны приблизительно 890 нм, что соответствует инфракрасному свету (эквивалентная длина волны для световой энергии может быть определена путем деления константы 1240 нм-эВ на энергию в эВ, поэтому 1240 нм-эВ/1,4 эВ = 886 нм). Поскольку наивысшая эффективность будет получена от фотоэлектрического элемента со слоями, настроенными на различные области солнечного спектра, современные многопереходные солнечные элементы имеют несколько слоев с различными запрещенными зонами, а широкозонные полупроводники являются ключевым компонентом для сбора части спектра за пределами инфракрасного. [15]
Использование светодиодов в осветительных приборах зависит, в частности, от разработки широкозонных нитридных полупроводников.
Ударная ионизация часто считается причиной пробоя. В точке пробоя электроны в полупроводнике связаны с достаточной кинетической энергией , чтобы производить носители при столкновении с атомами решетки.
Широкозонные полупроводники связаны с высоким напряжением пробоя. Это связано с большим электрическим полем, необходимым для генерации носителей посредством удара.
При высоких электрических полях скорость дрейфа насыщается из-за рассеяния на оптических фононах . Более высокая энергия оптического фонона приводит к меньшему количеству оптических фононов при определенной температуре, и, следовательно, имеется меньше центров рассеяния , и электроны в широкозонных полупроводниках могут достигать высоких пиковых скоростей.
Скорость дрейфа достигает пика в промежуточном электрическом поле и претерпевает небольшое падение в более высоких полях. Рассеяние между долинами является дополнительным механизмом рассеяния в больших электрических полях, и оно обусловлено смещением носителей из самой нижней долины зоны проводимости в верхние долины, где кривизна нижней зоны увеличивает эффективную массу электронов и снижает подвижность электронов . Падение скорости дрейфа в высоких электрических полях из-за рассеяния между долинами мало по сравнению с высокой скоростью насыщения , которая является результатом низкого оптического фононного рассеяния. Поэтому существует общая более высокая скорость насыщения.
Кремний и другие распространенные материалы имеют ширину запрещенной зоны порядка 1–1,5 электронвольта (эВ), что означает, что такие полупроводниковые приборы могут управляться относительно низкими напряжениями. Однако это также означает, что они легче активируются тепловой энергией, что мешает их правильной работе. Это ограничивает устройства на основе кремния рабочими температурами ниже примерно 100 °C, за пределами которых неконтролируемая тепловая активация устройств затрудняет их правильную работу. Широкозонные материалы обычно имеют ширину запрещенной зоны порядка 2–4 эВ, что позволяет им работать при гораздо более высоких температурах порядка 300 °C. Это делает их весьма привлекательными для военных приложений, где они нашли достаточно широкое применение.
Температуры плавления, коэффициенты теплового расширения и теплопроводность можно считать вторичными свойствами, которые имеют важное значение при обработке, и эти свойства связаны со связью в широкозонных материалах. Прочные связи приводят к более высоким температурам плавления и более низким коэффициентам теплового расширения. Высокая температура Дебая приводит к высокой теплопроводности. При таких тепловых свойствах тепло легко отводится.
Высокое напряжение пробоя широкозонных полупроводников является полезным свойством в мощных устройствах, требующих больших электрических полей.
Разработаны устройства для приложений высокой мощности и высокой температуры [5] . Как нитрид галлия , так и карбид кремния являются прочными материалами, хорошо подходящими для таких приложений. Ожидается, что благодаря своей прочности и простоте производства полупроводники из карбида кремния будут широко использоваться, создавая более простую и эффективную зарядку для гибридных и полностью электрических транспортных средств , сокращая потери энергии, создавая более долговечные преобразователи солнечной и ветровой энергии и устраняя громоздкие трансформаторы подстанций сети. [16] Также используется кубический нитрид бора . [ необходима цитата ] Большинство из них предназначены для специальных приложений в космических программах и военных системах. Они не начали вытеснять кремний с его лидирующего места на общем рынке силовых полупроводников.
Белые светодиоды заменили лампы накаливания во многих ситуациях из-за их большей яркости и более длительного срока службы. Следующее поколение DVD-плееров ( форматы Blu-ray и HD DVD ) использует фиолетовые лазеры на основе GaN .
Большие пьезоэлектрические эффекты позволяют использовать в качестве преобразователей материалы с широкой запрещенной зоной .
Сверхбыстрый GaN использует явление высокой плотности интерфейсного заряда.
Из-за своей стоимости нитрид алюминия до сих пор используется в основном в военных целях.
Устройства на основе широкозонных материалов способны переключаться на гораздо более высоких частотах, чем кремниевые версии. [17] [18] [19] Они также имеют тенденцию иметь гораздо меньшую утечку. В результате для правильной характеристики полупроводника WBG во время тестирования требуются более высокие напряжения и более чувствительные измерения тока. [20] [21]
Широкополосные полупроводниковые силовые устройства требуют множественных измерений, включая включенное и выключенное состояние, емкостное напряжение и динамические характеристики. [22] [23] Помимо динамических характеристик, важно тестировать ключевые статические параметры, чтобы избежать проблем во всей системе.
Тестирование WBG также может потребовать дополнительного оборудования для надлежащего использования некоторых модернизированных датчиков. Высокоточные, высокоемкостные датчики тока, как правило, больше, чем менее точные варианты. В результате, они могут потребовать специализированных испытательных структур, которые позволяют использовать их с минимальным влиянием на производительность схемы.
Хотя широкополосные полупроводники предлагают значительные преимущества, они создают проблемы для производства. Производство высококачественных широкополосных материалов в больших масштабах может быть сложным и дорогостоящим. [24] Исследователи и производители работают над оптимизацией производственных процессов, чтобы сделать эти материалы более доступными. [25] [26]
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ) [ мертвая ссылка ]{{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )