實(shí)現(xiàn)碳中和的雄心壯志正在燃燒全球需求，推動(dòng)我們尋求更高效、更強(qiáng)大的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)已經(jīng)允許電力電子行業(yè)超越了硅的局限性，從而導(dǎo)向開發(fā)更高效、更環(huán)保的技術(shù)平臺(tái)。這些材料在制造電力電子產(chǎn)品中充當(dāng)關(guān)鍵角色，而這些產(chǎn)品在可再生能源系統(tǒng)、電動(dòng)車(EVs)和其他減少碳排放技術(shù)中發(fā)揮著重要功能。除了GaN和SiC，另一種具有高潛力的半導(dǎo)體材料也引人注目，它就是金剛石。
金剛石，以其無比的硬度和璀璨的光芒而聞名，也打開了其作為半導(dǎo)體的新視角，為下一代電子元件提供了新的可能。金剛石特有的特性，包括高導(dǎo)熱性和電絕緣特性，使其在一些特殊的電子和功率器件應(yīng)用中具有極大的吸引力，特別是在高功率和高溫環(huán)境中。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的一項(xiàng)研究，他們創(chuàng)造了一種由金剛石制成的半導(dǎo)體器件，其擊穿電壓和漏電流*小，相比之前的金剛石器件有著顯著的提升。這個(gè)設(shè)備可能助推全球向需要更高效技術(shù)的可再生能源轉(zhuǎn)型。該項(xiàng)研究結(jié)果已經(jīng)在《IEEE Electron Device Letters》雜志上發(fā)表。
雖然鉆石作為寶石因其極硬度而受到喜愛，但其獨(dú)特的電氣特性為半導(dǎo)體應(yīng)用增添新的視角。碳原子能產(chǎn)生強(qiáng)大的共價(jià)連接，形成金剛石的晶格結(jié)構(gòu)。這個(gè)晶格結(jié)構(gòu)使半導(dǎo)體具有三大重要特性：快速的載流子遷移率、寬帶隙和*的導(dǎo)熱性。
金剛石的一個(gè)突出特性就是它的寬帶隙。材料的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差距被稱為帶隙。寬帶隙有利于高效的電子傳輸和減少漏電流，從而適合高功率和高頻應(yīng)用。
金剛石被公認(rèn)為是*堅(jiān)韌的物質(zhì)之一，它是碳的密度*大的形態(tài)，其密度是水的3.5倍。這些硬度和密度特性都可以通過其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)來解釋。
此外，金剛石有高達(dá)3500度的超高熔點(diǎn)，并且是具有*高導(dǎo)熱率的超寬帶隙(UWBG)半導(dǎo)體，確保其可以有效傳輸熱量。
擊穿電壓，或稱其為臨界電場(chǎng)或介電強(qiáng)度，是衡量半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)材料可以在不導(dǎo)電、不斷裂的情況下承受的*高電場(chǎng)就是其擊穿電壓。這個(gè)特性與材料的帶隙寬度和其固有特性有很大的相關(guān)性。金剛石作為寬帶隙半導(dǎo)體，其擊穿電壓相比于傳統(tǒng)半導(dǎo)體顯著增強(qiáng)。
對(duì)于半導(dǎo)體器件來說，金剛石的寬帶隙約為5.5電子伏特(eV)，具有很高的擊穿電壓，通常在106至107伏每厘米(V/cm)的范圍內(nèi)。這種*的擊穿電壓使金剛石成為高功率和高頻電子應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗梢猿惺芨唠妶?chǎng)而不發(fā)生電擊穿。
金剛石半導(dǎo)體器件具有獨(dú)特的特性，能夠在顯著升高的電壓和電流下工作，且使用的材料較少。此外，與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，它們可以有效散熱而不影響電氣性能。
專家認(rèn)為，金剛石在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中可以以較低的成本生產(chǎn)，并且具有更大的環(huán)保性，使其成為半導(dǎo)體的有效且重要的替代品。人工合成的鉆石可以在幾周內(nèi)生產(chǎn)，而不需要數(shù)十億年的漫長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)產(chǎn)生的碳排放也大幅度降低。
然而，值得注意的是，電壓限制是由于測(cè)量設(shè)備而非設(shè)備本身造成的。根據(jù)理論計(jì)算，該裝置*高可承受9kV的電壓。這表示了金剛石裝置歷史上記錄的*高電壓。除了出色的擊穿電壓，該設(shè)備還有*低的漏電流。
金剛石適用于各種場(chǎng)合，在高功率電子產(chǎn)品方面，金剛石的*導(dǎo)熱性使其成為非常理想的選擇。在射頻 (RF) 電子產(chǎn)品方面，金剛石的寬帶隙使其非常適合射頻電子器件，有助于推進(jìn)高頻設(shè)備的發(fā)展。此外，金剛石在不同波長(zhǎng)下的廣泛透明度和其導(dǎo)電性的結(jié)合為光電應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，可能用于復(fù)雜的應(yīng)用，例如傳感器、激光器和光電探測(cè)器等。
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