 | Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )
|
Полупроводники с широкой запрещенной зоной (также известные как полупроводники WBG или WBGS ) представляют собой полупроводниковые материалы, которые имеют относительно большую ширину запрещенной зоны по сравнению с обычными полупроводниками. Обычные полупроводники, такие как кремний, имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне 1–1,5 электронвольт (эВ), тогда как материалы с широкой запрещенной зоной имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне 2–4 эВ. [1] Как правило, полупроводники с широкой запрещенной зоной имеют электронные свойства, которые находятся между характеристиками обычных полупроводников и диэлектриков .
Полупроводники с широкой запрещенной зоной 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 зеленых и синих светодиодов и лазеров , а также используются в определенных радиочастотных приложениях, особенно в военных радарах . Их внутренние качества делают их пригодными для широкого круга других приложений, и они являются одними из ведущих претендентов на устройства следующего поколения для общего использования в полупроводниках.
Более широкая запрещенная зона особенно важна для того, чтобы устройства, в которых они использовались, могли работать при гораздо более высоких температурах, порядка 300 ° C. Это делает их очень привлекательными для использования в военных целях, где они нашли широкое применение. Устойчивость к высоким температурам также означает, что эти устройства могут работать при 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, порядка десяти раз, чем у обычных полупроводников. В совокупности эти свойства позволяют им работать при гораздо более высоких напряжениях и токах, что делает их очень ценными в военной сфере, радио и преобразовании энергии. Департамент энергетики США считает , что они будут основополагающей технологией в новомустройства для электросетей и альтернативных источников энергии , а также надежные и эффективные силовые компоненты, используемые в транспортных средствах с высокой энергией, от электропоездов до электромобилей . [2] Большинство материалов с широкой запрещенной зоной также имеют высокие скорости свободных электронов, что позволяет им работать с более высокими скоростями переключения, что увеличивает их ценность в радиоприложениях. Одно устройство WBG может быть использовано для создания полной радиосистемы, устраняя необходимость в отдельных сигнальных и радиочастотных компонентах, при работе на более высоких частотах и уровнях мощности.
Исследования и разработки материалов с широкой запрещенной зоной отстают от исследований и разработок обычных полупроводников, в которые с 1970-х годов были вложены огромные средства. Однако их очевидные неотъемлемые преимущества во многих приложениях в сочетании с некоторыми уникальными свойствами, отсутствующими у обычных полупроводников, привели к увеличению интереса к их использованию в повседневных электронных устройствах для замены кремния. Их способность обрабатывать более высокие плотности энергии особенно привлекательна для попыток продолжать подчиняться закону Мура , поскольку традиционные технологии, похоже, достигают плато плотности. [3]
Использование в устройствах [ править ]
Материалы с широкой запрещенной зоной имеют несколько характеристик, которые делают их полезными по сравнению с материалами с более узкой запрещенной зоной. Большая ширина запрещенной зоны дает устройствам возможность работать при более высоких температурах [4], поскольку запрещенная зона обычно сокращается с повышением температуры, что может быть проблематичным при использовании обычных полупроводников. Для некоторых приложений материалы с широкой запрещенной зоной позволяют устройствам переключать большие напряжения. Широкая запрещенная зона также переводит энергию электронного перехода в диапазон энергии видимого света, и, следовательно, можно сделать светоизлучающие устройства, такие как светодиоды (светодиоды) и полупроводниковые лазеры , которые излучают в видимом спектре или даже производят ультрафиолетовая радиация.
Твердотельное освещение с использованием полупроводников с широкой запрещенной зоной может снизить количество энергии, необходимой для освещения, по сравнению с лампами накаливания , которые имеют световую отдачу менее 20 люмен на ватт. Эффективность светодиодов составляет порядка 160 люмен на ватт.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной также могут использоваться в обработке радиочастотных сигналов . Силовые транзисторы на основе кремния достигают пределов рабочей частоты, напряжения пробоя и удельной мощности . Материалы с широкой запрещенной зоной могут использоваться в высокотемпературных и силовых коммутационных устройствах.
Материалы [ править ]
Существует множество полупроводниковых соединений AIIIBV и AIIBVI с большой шириной запрещенной зоны. Единственными материалами с большой шириной запрещенной зоны в группе IV являются алмаз и карбид кремния (SiC).
Нитрид алюминия (AlN) можно использовать для изготовления ультрафиолетовых светодиодов с длинами волн до 200–250 нм .
Нитрид галлия (GaN) используется для изготовления синих светодиодов и лазеров .
Нитрид бора (BN) используется в кубическом нитриде бора .
Свойства материалов [ править ]
Материалы с широкой запрещенной зоной - это полупроводники с шириной запрещенной зоны более 3 эВ. [5]
Bandgap [ править ]
Квантовая механика порождает серию отдельных энергетических уровней или полос электронов , которые варьируются от материала к материалу. Каждая полоса может содержать определенное количество электронов; если в атоме больше электронов, они вынуждены переходить в более высокие энергетические зоны. В присутствии внешней энергии некоторые электроны будут набирать энергию и возвращаться вверх по энергетическим зонам, прежде чем высвободить ее и снова упасть вниз по зонам. При постоянном приложении внешней энергии, такой как тепловая энергия, присутствующая 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 у большинства металлов есть серия частично заполненных полос, которые позволяют электронам добавляться или удаляться с небольшой приложенной энергией. Когда электроны плотно упакованы вместе, они могут легко перемещаться от атома к атому, что делает их отличными 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 толкает больше электронов в зону проводимости , делая их более проводящими и позволяя току течь как проводник. Изменение полярности этой приложенной энергии толкает электроны в более широко разделенные зоны, делая их изоляторами и останавливая поток. Поскольку количество энергии, необходимое для проталкивания электронов между этими двумя уровнями, очень мало, полупроводники допускают переключение с очень малым вкладом энергии. Однако этот процесс переключения зависит от естественного распределения электронов между двумя состояниями, поэтому небольшие входные данные приводят к быстрому изменению статистики населения. При изменении внешней температуры из -за распределения Максвелла – Больцманавсе больше и больше электронов обычно оказываются в том или ином состоянии, в результате чего переключение происходит само по себе или полностью прекращается.
Размер атомов и количество протонов в атоме являются основными предикторами силы и расположения запрещенных зон. Материалы с небольшими атомами и сильными электроотрицательными атомными связями связаны с широкими запрещенными зонами. Элементы в верхней части периодической таблицы, скорее всего, будут материалами с широкой запрещенной зоной. Что касается соединений III-V, нитриды связаны с наибольшей шириной запрещенной зоны, а в семействе II-VI оксиды обычно считаются изоляторами. Ширина запрещенной зоны часто может быть получена путем легирования , и закон Вегарда гласит, что существует линейная связь между постоянной решетки и составом твердого раствора.при постоянной температуре. Положение минимумов зоны проводимости по сравнению с максимумами в зонной структуре определяет, является ли запрещенная зона прямой или косвенной . Большинство материалов с широкой запрещенной зоной связаны с прямой запрещенной зоной, за исключением SiC и GaP .
Оптические свойства [ править ]
Ширина запрещенной зоны определяет длину волны, на которой светодиоды могут излучать свет, и длину волны, на которой фотоэлектрические элементы работают наиболее эффективно. Следовательно, устройства с широкой запрещенной зоной полезны на более коротких длинах волн, чем другие полупроводниковые устройства. Ширина запрещенной зоны для GaAs 1,4 эВ, например, соответствует длине волны приблизительно 890 нм, которая является невидимым инфракрасным светом (эквивалентную длину волны для световой энергии можно определить, разделив постоянную 1240 нм-эВ на энергию в эВ, поэтому 1240 нм-эВ / 1,4 эВ = 886 нм). Поэтому фотоэлектрические элементы на основе GaAs не идеальны для преобразования видимого света с более короткой длиной волны в электричество. Кремний на 1,1 эВ (1100 нм) еще хуже. Для преобразования солнечной энергии с использованием фотоэлектрического элемента с одним переходом идеальная ширина запрещенной зоны оценивается по разным оценкам от примерно 1,0 до примерно 1,5 эВ [6](в зависимости от различных предположений), потому что этот низкий порог длины волны покрывает почти весь солнечный спектр, который достигает поверхности Земли, но однопереходный элемент с меньшей шириной запрещенной зоны тратит большую часть этой мощности из-за неэффективного преобразования более коротковолновых частей солнечного излучения. спектр. Из-за этого основной областью исследований солнечной энергии является разработка многопереходных солнечных элементов, которые собирают отдельные части спектра с большей эффективностью, а фотоэлектрические элементы с широкой запрещенной зоной являются ключевым компонентом для сбора части спектра за пределами инфракрасного диапазона.
Использование светодиодов в осветительных приборах зависело, в частности, от разработки широкозонных нитридных полупроводников.
Связь между длиной волны и шириной запрещенной зоны заключается в том, что энергия запрещенной зоны является минимальной энергией, необходимой для возбуждения электрона в зону проводимости . Для того, чтобы фотон без посторонней помощи мог вызвать это возбуждение, он должен обладать как минимум такой же энергией. В обратном процессе, когда возбужденные электронно-дырочные пары подвергаются рекомбинации , генерируются фотоны с энергиями, соответствующими величине запрещенной зоны.
Фононов требуется в процессе поглощения или излучения в случае косвенного полупроводнике, поэтому косвенные полупроводники, как правило , очень неэффективно эмиттеры, хотя они работают достаточно хорошо , как поглотители также (как и кремниевых фотогальванических).
Поле разбивки [ править ]
Причиной поломки часто называют ударную ионизацию . В момент пробоя электроны в полупроводнике обладают достаточной кинетической энергией для образования носителей при столкновении с атомами решетки.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной связаны с высоким пробивным напряжением. Это связано с тем, что для генерации носителей посредством ударного механизма требуется большее электрическое поле.
При высоких электрических полях , скорости дрейфа насыщается за счет рассеяния на оптических фононах . Более высокая энергия оптических фононов приводит к меньшему количеству оптических фононов при определенной температуре, и поэтому имеется меньше центров рассеяния , а электроны в полупроводниках с широкой запрещенной зоной могут достигать высоких пиковых скоростей.
Скорость дрейфа достигает максимума при промежуточном электрическом поле и немного падает при более высоких полях. Межполинное рассеяние является дополнительным механизмом рассеяния при больших электрических полях, и это связано с перемещением 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 при высоких электрических полях из-за междолинного рассеяния невелико по сравнению с высокой скоростью насыщения, которая возникает из-за низкого рассеяния оптических фононов. Следовательно, общая скорость насыщения выше.
Скорость насыщения [ править ]
Высокие эффективные массы носителей заряда являются результатом низкой кривизны зон, что соответствует низкой подвижности. Быстрое время отклика устройств с широкозонными полупроводниками связано с высокой скоростью дрейфа носителей при больших электрических полях или скоростью насыщения .
Разрыв запрещенной зоны [ править ]
Когда полупроводники с широкой запрещенной зоной используются в гетеропереходах , неоднородности зон, образующиеся при равновесии, могут быть конструктивной особенностью, хотя такая неоднородность может привести к осложнениям при создании омических контактов .
Поляризация [ править ]
Структуры вюрцита и цинковой обманки характерны для большинства широкозонных полупроводников. Фазы вюрцита допускают спонтанную поляризацию в направлении (0001). Результатом спонтанной поляризации и пьезоэлектричества является то, что полярные поверхности материалов связаны с более высокой плотностью листовых носителей, чем объемные. Полярная поверхность создает сильное электрическое поле, которое создает высокую плотность заряда на границе раздела.
Тепловые свойства [ править ]
Кремний и другие распространенные материалы имеют ширину запрещенной зоны порядка от 1 до 1,5 электронвольт (эВ), что означает, что такими полупроводниковыми устройствами можно управлять с помощью относительно низких напряжений. Однако это также означает, что они легче активируются тепловой энергией, что мешает их правильной работе. Это ограничивает рабочие температуры кремниевых устройств примерно до 100 ° C, при превышении которых неконтролируемая термическая активация устройств затрудняет их правильную работу. Материалы с широкой запрещенной зоной обычно имеют ширину запрещенной зоны порядка 2–4 эВ, что позволяет им работать при гораздо более высоких температурах, порядка 300 ° C. Это делает их очень привлекательными в военных приложениях, где они нашли широкое применение.
Температуры плавления, коэффициенты теплового расширения и теплопроводность можно рассматривать как второстепенные свойства, которые необходимы при обработке, и эти свойства связаны со связкой в материалах с широкой запрещенной зоной. Прочные связи приводят к более высоким температурам плавления и более низким коэффициентам теплового расширения. Высокая температура Дебая приводит к высокой теплопроводности. Благодаря таким тепловым свойствам легко отводится тепло.
Приложения [ править ]
Приложения высокой мощности [ править ]
Высокое напряжение пробоя широкозонных полупроводников является полезным свойством в мощных приложениях, требующих больших электрических полей.
Разработаны устройства для применения в условиях большой мощности и высоких температур [4] . И нитрид галлия, и карбид кремния - прочные материалы, хорошо подходящие для таких применений. Ожидается, что благодаря своей прочности и простоте производства полупроводники, в которых используется карбид кремния, найдут широкое применение, создадут более простую и более эффективную зарядку для гибридных и полностью электрических транспортных средств , уменьшат потери энергии и увеличат срок службы преобразователей солнечной и ветровой энергии , а также исключат громоздкие сетевые трансформаторы подстанций. [7] 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 ведущего места на общем рынке силовых полупроводников.
Светодиоды [ править ]
Белые светодиоды, обладающие большей яркостью и более длительным сроком службы, во многих случаях заменили лампы накаливания. Следующее поколение DVD-плееров ( форматы Blu-ray и HD DVD ) используют фиолетовые лазеры на основе GaN .
Преобразователи [ править ]
Большие пьезоэлектрические эффекты позволяют использовать материалы с широкой запрещенной зоной в качестве преобразователей .
Транзистор с высокой подвижностью электронов [ править ]
Очень высокоскоростной GaN использует явление высокой плотности межфазного заряда.
Из-за своей стоимости нитрид алюминия до сих пор используется в основном в военных целях.
Важные полупроводники с широкой запрещенной зоной [ править ]
- Карбид кремния
- Диоксид кремния
- Нитрид алюминия
- Нитрид галлия
- Нитрид бора , h-BN и c-BN могут образовывать УФ-светодиоды.
- Алмазный
См. Также [ править ]
- Ширина запрещенной зоны
- Прямая запрещенная зона
- Полупроводник
- Полупроводниковые приборы
- Полупроводниковые материалы
Ссылки [ править ]
- Перейти ↑ Yoshikawa, A. (2007). «Разработка и применение полупроводников с широкой запрещенной зоной». In Yoshikawa, A .; Matsunami, H .; Наниши, Ю. (ред.). Полупроводники с широкой запрещенной зоной . Springer. п. 2. ISBN 978-3-540-47235-3.
- ^ "Полупроводники с широкой запрещенной зоной: Выполнение обещания (DOE / EE-0910)" (pdf) . Офис перспективного производства Министерства энергетики США . Апрель 2013 . Проверено 3 сентября 2014 года .
- Рианна Галлахер, Шон (9 июня 2016 г.). «Отсрочка действия закона Мура: микросхема milspec напишет следующую главу о вычислительной технике» . Ars Technica .
- ^ a b Киршман, Рэндалл, изд. (1999), высокотемпературная электроника , Нью-Йорк: IEEE Press, ISBN 0-7803-3477-9
- ^ Шен, Ши-Чан. «Исследования и разработки устройств с широкой запрещенной зоной в SRL» . Лаборатория полупроводников Технологического института Джорджии . Проверено 3 сентября 2014 года .
- ^ Ахмед, Самир А. (1980). «Перспективы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии». В Манассе, Джамал Т. (ред.). Альтернативные источники энергии . Эльзевир. п. 365.
- ^ Ozpineci, Бурак; Толберт, Леон (27 сентября 2011 г.), «Карбид кремния: меньше, быстрее, жестче» , IEEE Spectrum , получено 3 сентября 2014 г.
