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碳化硅（SiC）器件的工作效率更高嗎？
發(fā)布時間：2021-02-08
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1. 引言
在電力電子領域，半導體是基于硅元素的，但碳化硅（SiC）的能源效率會更高。巴塞爾大學，Paul Scherrer研究所和ABB的物理學家在科學雜志《應用物理學快報》上解釋了到底是什么阻止了硅和碳的這種結合的使用 。
能源消耗在全球范圍內(nèi)不斷增長；電力越來越受到依賴，諸如風能和太陽能之類的可持續(xù)能源供應變得越來越重要。然而，電力通常在遠離消費者的地方很長的距離內(nèi)產(chǎn)生。因此，高效的配電和運輸系統(tǒng)與變電站和變流器一樣至關重要，變電站和變流器將產(chǎn)生的直流電轉換為交流電。
在二氧化硅和碳化硅之間的界面處，會出現(xiàn)不規(guī)則的碳環(huán)簇，這會擾亂電子功能。圖片來源：巴塞爾大學物理系/瑞士納米科學研究所
2. 節(jié)能
現(xiàn)代電力電子設備必須能夠處理大電流和高壓?，F(xiàn)在，由用于場效應晶體管的半導體材料制成的電流晶體管主要基于硅技術。但是，相比于硅，使用SiC具有顯著的物理和化學優(yōu)勢：除了具有更高的耐熱性之外，這種材料還提供了明顯更高的能效，可節(jié)省大量能源。
眾所周知，碳化硅與絕緣材料二氧化硅之間的界面處的缺陷大達損害了這些優(yōu)點。這種損害是基于綁定在晶格中的微小，不規(guī)則的碳環(huán)簇而進行的，這是由瑞士納米科學學院的Thomas Jung教授以及巴塞爾大學和Paul Scherrer研究所的物理系的研究人員實驗證明的。使用原子力顯微鏡分析和拉曼光譜法，他們表明缺陷是通過氧化過程在界面附近產(chǎn)生的。
3. 實驗驗證
在高溫下碳化硅氧化成二氧化硅的過程中，形成了只有幾納米大小的干擾碳簇。博士生Dipanwita Dutta說：“如果在氧化過程中改變某些參數(shù)，我們會影響缺陷的發(fā)生?！?例如，加熱過程中的一氧化二氮氣氛導致明顯更少的碳簇。
實驗結果得到了巴塞爾大學物理學系和瑞士納米科學研究所的StefanG?decker教授領導的團隊的證實。計算機模擬證實了通過實驗觀察到的石墨碳原子引起的結構和化學變化。除了實驗之外，在缺陷的產(chǎn)生及其對半導體材料中電子流的影響方面也獲得了原子學的見解。
4. 更好地使用
“我們的研究為推動基于碳化硅的場效應晶體管的進一步發(fā)展提供了重要的見識。因此，我們希望為更有效地利用電力做出重大貢獻?！?這項工作是作為應用研究項目的納米Argovia計劃的一部分啟動的。
在電力電子領域，半導體是基于硅元素的，但碳化硅（SiC）的能源效率會更高。巴塞爾大學，Paul Scherrer研究所和ABB的物理學家在科學雜志《應用物理學快報》上解釋了到底是什么阻止了硅和碳的這種結合的使用 。
能源消耗在全球范圍內(nèi)不斷增長；電力越來越受到依賴，諸如風能和太陽能之類的可持續(xù)能源供應變得越來越重要。然而，電力通常在遠離消費者的地方很長的距離內(nèi)產(chǎn)生。因此，高效的配電和運輸系統(tǒng)與變電站和變流器一樣至關重要，變電站和變流器將產(chǎn)生的直流電轉換為交流電。
2. 節(jié)能
現(xiàn)代電力電子設備必須能夠處理大電流和高壓?，F(xiàn)在，由用于場效應晶體管的半導體材料制成的電流晶體管主要基于硅技術。但是，相比于硅，使用SiC具有顯著的物理和化學優(yōu)勢：除了具有更高的耐熱性之外，這種材料還提供了明顯更高的能效，可節(jié)省大量能源。
眾所周知，碳化硅與絕緣材料二氧化硅之間的界面處的缺陷大達損害了這些優(yōu)點。這種損害是基于綁定在晶格中的微小，不規(guī)則的碳環(huán)簇而進行的，這是由瑞士納米科學學院的Thomas Jung教授以及巴塞爾大學和Paul Scherrer研究所的物理系的研究人員實驗證明的。使用原子力顯微鏡分析和拉曼光譜法，他們表明缺陷是通過氧化過程在界面附近產(chǎn)生的。
3. 實驗驗證
在高溫下碳化硅氧化成二氧化硅的過程中，形成了只有幾納米大小的干擾碳簇。博士生Dipanwita Dutta說：“如果在氧化過程中改變某些參數(shù)，我們會影響缺陷的發(fā)生?！?例如，加熱過程中的一氧化二氮氣氛導致明顯更少的碳簇。
實驗結果得到了巴塞爾大學物理學系和瑞士納米科學研究所的StefanG?decker教授領導的團隊的證實。計算機模擬證實了通過實驗觀察到的石墨碳原子引起的結構和化學變化。除了實驗之外，在缺陷的產(chǎn)生及其對半導體材料中電子流的影響方面也獲得了原子學的見解。
4. 更好地使用
“我們的研究為推動基于碳化硅的場效應晶體管的進一步發(fā)展提供了重要的見識。因此，我們希望為更有效地利用電力做出重大貢獻?！?這項工作是作為應用研究項目的納米Argovia計劃的一部分啟動的。
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