Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур)
Скачать 124.83 Kb.
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра электронных средств автоматизации и управления (ЭСАУ) Электроника на основе широкозонных полупроводников Реферат для ГПО Студент гр. 532 ________ Липатов Д.С ____________________ Томск 2014 Оглавление
1. Введение Wide Bandgap Semiconductors Superior semiconductor materials will enable greater energy efficiency in industrial-scale power electronics and clean energy technologies. Wide bandgap (WBG) semiconductor materials allow power electronic components to be smaller, faster, more reliable, and more efficient than their silicon (Si)-based counterparts. These capabilities make it possible to reduce weight, volume, and life-cycle costs in a wide range of power applications. Harnessing these capabilities can lead to dramatic energy savings in industrial processing and consumer appliances, accelerate widespread use of electric vehicles and fuel cells, and help integrate renewable energy onto the electric grid. WBG semiconductors permit devices to operate at much higher temperatures, voltages, and frequencies—making the power electronic modules using these materials significantly more powerful and energy efficient than those made from conventional semiconductor materials. WBG materials also emit light in the visible color range, an optical property useful for applications in solid-state lighting. Gallium nitride (GaN), for example, is an enabling material behind the ultra-high efficiency of light emitting diodes (LEDs). WBG semiconductors are expected to pave the way for exciting innovations in power electronics, solid-state lighting, and other diverse applications across multiple industrial and clean energy sectors. Realizing the energy-saving potential of WBG semiconductors will require the development of cutting-edge manufacturing processes that can produce high-quality WBG materials, devices, and modules at an affordable cost. Investing in this innovative technology will help U.S. industry maintain a competitive edge. Smaller, Faster, and More Efficient WBG materials have the potential to enable cutting-edge electronic and optical devices with vastly superior performance compared to current technology. Specific energy-related benefits are listed below: Electronic devices 1.Reduced energy losses: Eliminates up to 90% of the power losses that currently occur during AC-to-DC and DC-to-AC electricity conversion.1 2.Higher-voltage operation: Handles voltages more than 10 times higher than Si-based devices, greatly enhancing performance in high-power applications.2 3.Higher-temperature operation: Operates at temperatures over 300°C (twice the maximum temperature of Si-based devices). This tolerance for higher operating temperature results in better overall system reliability, enables smaller and lighter systems with reduced lifecycle energy use, and creates opportunities for new applications.2 4.Higher frequencies: Operates at frequencies at least 10 times higher than Si-based devices, making possible more compact, less costly product designs and opening up a range of new applications, such as radio frequency (RF) amplifiers.1 5.Improved power quality: Ensures more reliable and consistent power electronic device operation. Optical devices 6.Greater lighting efficiency: WBGbased LEDs produce more than 10 times more light per watt of input energy than comparable incandescent bulbs and extend service life by 30 times or more. Applications As manufacturing capabilities improve and market applications expand, costs are expected to decrease, making WBGbased devices competitive with less expensive Si-based devices. Industrial Motors: WBG materials will enable higher-efficiency, variable-speed drives in motors—pumps, fans, compressors, and HVAC systems—used across manufacturing. Motor systems use 69% of the electricity consumed in U.S. manufacturing. Electronics: WBG materials are already used in large, high-efficiency data centers and show promise as compact power supplies for consumer electronics. Grid integration: WBG-based inverters can convert the DC electricity generated from solar and wind energy into the AC electricity used in homes and businesses —while reducing losses by 50%. Utility applications: WBG have the potential to reduce transformer size by a factor of ten or more. WBG-based power electronics could also accelerate development of high-voltage DC power lines, which will operate more efficiently than existing high-voltage AC transmission lines. Electric vehicles and plug-in hybrids: WBG materials are expected to cut electricity losses by 66% during vehicle battery recharging. They also offer greater efficiency in converting AC to DC power and in operating the electric traction drive during vehicle use. The ability of these electronics to tolerate higher operating temperatures could reduce the size of an automotive cooling system by 60% or even eliminate the secondary liquid cooling system. Military: WBG semiconductors have great potential as an enabling material in high-density power applications, satellite communications, and high-frequency and high-power radar. Geothermal: WBG-based electronic sensors can withstand the harsh, high-pressure, and high-temperature environments of geothermal wells. Lighting: At today’s energy prices, LED lighting is expected to save $250 billion in cumulative energy costs by 2030. Challenges WBG materials and devices are rapidly gaining acceptance. However, a number of manufacturing challenges must be addressed to make WBG materials cost effective in more applications. • Substrate size and cost: While the quality of GaN and silicon carbide (SiC) wafers is improving, the cost of producing larger-diameter wafers needs to be reduced. • Device design and cost: Novel device designs that effectively exploit the properties of WBG materials are needed to achieve the voltage and current ratings required in certain applications. Alternative packaging materials or designs are also needed to withstand the high temperatures in WBG devices. Architectures that improve manufacturability and affordability are needed to spur commercialization. • Systems integration: WBG devices are not always suitable drop-in replacements for Si-based devices. The larger, more complex systems must be redesigned to integrate the WBG devices in ways that deliver unique capabilities. Broad Economic Impacts WBG semiconductors are a foundational technology that promises to transform multiple industries and markets. Low-cost, high-performance power electronics are expected to become integral to everything from household appliances and consumer goods to military systems, vehicles, and a modernized grid that incorporates renewable energy. The WBG share of the global lighting market alone is projected to reach $84 billion by 2020.5 GaN and SiC are expected to claim 22% of the $15 billion global market for discrete power electronic components by 2020 in just four industry segments (buildings and industrial, electronics and IT, renewables and grid storage, and transportation). Широкозонные полупроводники Улучшенные полупроводниковые материалы позволяю более эффективно использовать энергию в промышленных масштабах, силовой электронике и технологиях экологически чистой энергии. Широкозонные (WBG) полупроводниковые материалы в силовых электронных компонентах меньше, быстрее, надежнее и эффективнее, чем на основе из кремния (Si). Эти возможности позволяют снизить вес, объем и стоимость жизненного цикла в различных силовой техники. Использование этих возможностей может привести к резкому энергосбережения в промышленном производстве и бытовой техники, ускорить повсеместное использование электромобилей и топливных элементов, и помочь в интеграции возобновляемых источников энергии в электрическую сеть. WBG полупроводники дают устройствам работать при значительно более высоких температурах, напряжениях и частотах, делая питания электронных модулей, использующих эти материалы, значительно более мощным и эффективным, чем те, что сделаны из обычных полупроводниковых материалов. WBG материалы также излучают свет видимого цветового спектра, оптическое свойство полезное для устройств, используемых для освещения. Например, нитрид галлия (GaN), является благоприятным материалом из-за сверхвысокой эффективности светоизлучающих диодов (LEDs). WBG полупроводники дают возможность интересных новшеств в область силовой электроники, твердотельного освещения, и других, самых разнообразных технологий в промышленности и экологически чистой энергетики. Понимая потенциал энергосбережения WBG полупроводников потребуется разработки передовых производственных процессов, которые позволяют выпускать высокого качества WB материалы, устройства и модули по доступной стоимости. Инвестирование в инновационные технологии помогут промышленность США поддерживать конкурентное преимущество. Меньше, быстрее и эффективнее WBG материалы имеют потенциал для того, чтобы передовые электронные и оптические устройства значительно превосходили по производительности по сравнению с существующей технологией. Определенные энергетические выгоды: Электронные устройств 1. Уменьшение потерь энергии: устраняет до 90% потерь от мощности, которые в настоящее время происходят в течение AC-DC и DC-AC электроэнергетических преобразованиях. 2. Напряжение питания: рабочее напряжение более чем в 10 раз выше, чем устройства на основе Si, значительно повышая производительность в мощных устройствах. 3. Высоко-термическая эксплуатации: функционирует при температуре свыше 300  (в два раза выше максимальной температуры устройства на основе Si). Это сопративляемость к более высокой рабочей температуре приводит к повышению общей надежности системы, позволяет создавать небольшие и легкие системы с пониженным жизненным циклом использования энергии и создает возможности для новых устройств.4. Высокие частоты: работает на частотах, по крайней мере, в 10 раз выше, чем на основе Si устройства, что делает возможным более компактным, менее дорогостоящим конструкцию и открывает ряд новых устройств, таких как радиочастотный усилитель (RF). 5. Улучшение качества питания: обеспечивает более надежные и стабильные силовые электронные устройства в эксплуатации. Оптические приборы 6. Большая эффективность освещения: WBG светодиоды производят более чем в 10 раз больше света на ватт ввода энергии, чем сопоставимые лампы накаливания и служат в 30 и более раз дольше. Устройства Как производственных возможностей и рыночных применений расширить, затраты снизятся, делая WBG конкурентоспособных устройств с менее дорогие устройства на основе Si. Промышленные двигатели: WBG материалы позволят увеличить эффективность двигателей насосов, вентиляторов, компрессоров с переменной скоростью вращения, системы отопления, вентиляции и кондиционирования используемые в обрабатывающих отраслях. Двигатели, системы используют 69% электроэнергии, потребляемой в США производством. Электроника: WBG материалы уже используются в больших, высокоэффективных центрах обработки данных и, как компактные блоки питания для бытовой электроники. Сетевая интеграция: на основе WBG инверторы могут преобразовать DC электроэнергию, выработанной из энергии солнца и ветра, в переменный ток, используемый в домах и офисах -при одновременном снижении потерь на 50%. Вспомогательные устройства: WBG есть потенциал, чтобы уменьшить размер трансформатора в десять или более раз. На основе WBG силовая электроника может также ускорить развитие высоковольтных линий электропередачи постоянного тока, который будет действовать более эффективно, чем существующие высоковольтных линий электропередачи переменного тока. Электромобили и гибриды: WBG материалы, как ожидается, позволят сократить потери электроэнергии на 66% во время подзарядки аккумуляторной батареи автомобиля. Они также обеспечивают большую эффективность как в преобразовании переменной в постоянную энергию, так и в эксплуатации тягового привода во время эксплуатации автомобиля. Способность этой электроники переносить более высокие рабочие температуры могут сократить размер автомобильной системы охлаждения на 60% или даже полностью исключить вторичные системы жидкостного охлаждения. Военные устройства: WBG полупроводники имеют большой потенциал в качестве благоприятного материала высокой плотности силовых устройств, спутниковой связи, высокочастотных и мощных радаров. Геотермальная энергия: на основе WBG электронные датчикы могут выдерживать суровые условия высокого давления и высокой температуры геотермальных скважин. Освещение: при сегодняшних ценах на энергоносители, светодиодное освещение, как ожидается сэкономить $250 млрд, в совокупных расходов на энергию к 2030 году. Проблемы WBG материалы и устройств стремительно завоевывают признание. Однако, ряд производственных проблем необходимо решить для того, чтобы WBG материалы были экономически эффективным в разых устройствах. • Размер подложки и стоимость: в то время как качество Ган и карбида кремния (SiC) пластин улучшается, затрат на производство большего диаметра пластин должна быть уменьшена. • Устройство, структура и стоимость: новые устройства, конструкции, которые эффективно используют свойства WBG материалов, необходимы для достижения номинальных значений напряжения и тока, необходимых в определенных устройствах. Альтернативная упаковка материалов или конструкций необходима также для работы при высоких температурах в WBG устройств. Архитектура, которая значительно повышает технологичность и доступность, необходима для стимулирования коммерциализация. • Интеграция систем: WBG устройств не всегда подходит для замены устройства на основе Si. Большие и сложные системы должны быть переработаны, чтобы интегрировать WBG устройств в целях, обеспечения уникальных возможностей. Разные Экономические Последствия WBG полупроводники основополагающая технология, которая обещает изменить различные отрасли промышленности и рынков. Низкая стоимость, высокая производительность силовой электроники, как ожидается, станет неотъемлемой частью : от бытовой техники и товаров народного потребления до систем военного назначения, транспортных средств и модернизированных сетей, которая включает в себя возобновляемые источники энергии. Доля WBG полупроводников мирового рынка рассмотренная отдельно, согласно прогнозам, достигнет $84 млрд к 2020 году.Доля GaN, SiC, как ожидается, достигнет 22% или $15 млрд в мировом рынке дискретных силовых электронных компонентов к 2020 году только в четырех сегментах промышленности (Строительстве и промышленносты, электроники и IT, возобновляемых источников энергии и сетки хранения и транспортировки). Таблица 1. Основные характеристики Si, GaN и SiC.  Рис.1. Сравнительная диаграмма свойств GaN и Si как материалов для мощных полевых транзисторов.  3.Силовые приборы на широкозонных полупроводниках Уровень преобразовательной техники оказывает существенное влияние на энергетику. Благодаря такой технике в развитых странах эффективность использования электроэнергии близка к 75%, а в РФ по оптимистическим оценкам не превышает 40%. Эффективность во многом обеспечивается за счет применения полупроводниковых преобразователей (ПП) основу, которых составляют диоды, тиристоры, полевые транзисторы и т. д. Самый массовый сектор рынка ПП в диапазоне напряжений до 1700 В базируется на кремниевых IGBT и MOCFET транзисторах. При этом в РФ около 90% потребляемых силовых приборов – импорт. Годовой объем этого импорта оценивается на уровне 6-9 млрд. руб. и его рост неизбежен. К сожалению, отечественная радиоэлектронная промышленность проиграла (или сдала без боя ) почти все рынки, однако, в силовой электронике есть еще ниша где можно создать, развить и удержать наш отечественный рынок. Это приборы на широзонных полупроводниках. Зарубежные производители ПП силовой электроники ведут постоянную работу над повышением эффективности элементной базы; при этом направление работ сосредоточено не только на проблеме совершенствования существующей кремниевой технологии, но и технологии новых материалов. Между тем, развитие силовой электроники, автомобильного транспорта, информационных технологий предъявляет все более высокие требования к элементной базе ПП по уровню потерь, плотности мощности, рабочей температуре, радиационной стойкости, частотному диапазону. В этом отношении за последние 5 лет в результате прорыва в развитии полупроводникового материаловедения в области технологий новых широкозонных материалов АІІІВV определилась возможность вывода элементной базы силовой электроники на качественно новый уровень. Напомню, что материалы, использующиеся для изготовления элементной базы силовой электроники, должны обеспечивать реализацию следующих основных параметров приборов: - низкое сопротивление проводящего канала прибора в открытом состоянии (Ron), что необходимо для обеспечения малых потерь ; - высокий уровень запирающего напряжения (Vbl), что обеспечивает широкую область применений и надежность приборов; - малую емкость для уменьшения потерь на переключение; - высокие рабочие частоты, что обеспечивает снижение размеров управляющей аппаратуры ; - высокую температурную стойкость. С этой точки зрения интересен нитрид галлия, который, обладая комплексом электрофизических свойств, обеспечивающим выполнение указанных требований (табл.1, рис.1), рассматривается наравне с карбидом кремния как перспективный материал для силовой электроники, в то же время превосходя SiC по ряду параметров. Сравнивая технологии SiC и GaN, важно подчеркнуть, что, кроме более низкой цены, структуры на основе нитрида галлия позволяют реализовать технологию HEMT-транзисторов. В этом отношении имеются совершенно уникальные возможности в создании гетероэпитаксиальных структур (ГЭС) для широкого класса приборов силовой электроники. Сама природа двумерного электронного газа на гетерогранице эпитаксиальной структуры открывает широкие перспективы конструирования необходимых свойств материалов. По сообщению ведущего аналитического агентства «Yole Development» в 2009 г. объем продаж дискретных приборов на основе карбида кремния для силовой электроники составил всего 0.15% от общего объема реализации дискретных приборов. Между тем, приборам на основе широкозонных материалов для силовой электроники отводится не менее 26% рынка, а область их применения становится все более широкой – рис. 2. Еще год назад считалось, что приборы на GaN будут работать до 600 В, сейчас уже эта граница сдвинута до 1200 В, а специалисты I. Rectifier считают, что приборы на GaN/Si будут работать до 1500 В. Начиная с 2006 г. на мировом рынке появились структуры GaN/Si диаметром 4 и 6 дюймов для приборов силовой электроники (Picogiga, IMEC, Nitronex, IQE, NTT и др.). Это позволило вплотную подойти к решению главной проблемы силовой электроники – производству современных приборов удовлетворяющих критерию «эффективность/стоимость». Компания «I. Rectifier» изготавливает транзисторы, у которых Ron в 10 раз меньше, чем у приборов на основе кремния (рис.3). Важно подчеркнуть, что производство приборов осуществляется с использованием стандартного оборудования CMOS технологии. При этом, I. Rectifier не исключение, уже более 12 компаний сообщают о своих успехах в этом направлении. Работы по технологии ГЭС на основе нитридов III группы ведутся в ЗАО «Элма-Малахит» с 1999 года. Создан специализированный научно-производственный участок МОС-гидридной технологии нитридных соединений, оснащенный современным технологическим и метрологическим оборудованием, качественной инфраструктурой. Разработаны и выпускаются ГЭС на подложках сапфира и карбида кремния. Уровень качества ГЭС на этих подложках в целом соответствует современному мировому уровню (табл.2.).В 2010 г. начаты и успешно ведутся работы по технологии GaN/Si. Получены образцы для НЕМТ и к середине 2011 г. получим ГЭС на современном уровне. Существенный недостаток нашей технологии это то, что мы можем получать ГЭС на подложках 2”. Однако, этот недостаток легко решается закупкой нового оборудования под любой диаметр до 200 мм. Была бы потребность. В заключение хочется отметить, что, в нашей стране разработки приборов для силовой электроники на GaN не ведутся, и это несмотря на тот факт, что имеются отечественные материалы, технологии формирования омических контактов, барьеров и технологии ПТШ на GaN в целом. Почему? Нет интереса, «спим» или… В любом случае хочется надеяться что мы (предприятия РФ и МПТ) реализуем шанс и успеем на поезд «силовые приборы на GaN». Рис. 2 Области применения приборов на основе нитрида галлия в 2010г.  3.Список литературы
|
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
 | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Рабочая программа учебной дисциплины «Обработка экспериментальных данных на эвм» «томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (тусур) |
| Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) утверждаю Рабочая программа составлена на основании рабочего учебного плана по направлению 080500 Менеджмент, утвержденного 17. 06. 2008 г | | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных... |
| Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Все современные самолёты, от простейших до легкомоторных машин до истребителей и бомбардировщиков, оснащены авионикой, или, как принято... | | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) утверждаю Рабочая программа составлена в соответствии с гос впо для специальности 080105 – Финансы и кредит, утвержденным 17. 03. 2000г, №... |
| «томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» Совете по вопросам регламентации доступа к информации в Интернете, целью создания Совета является обеспечение разработки и принятия... | | Федеральное агентство по образованию Томский государственный педагогический университет Томский государственный педагогический университет совместно с Сибирским нии торфа со расхн, Институтом климатических и экологических... |
| Введение в специальность Р. Г. Ходасевич, доцент кафедры радиотехнических систем Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики... | | Российской Федерации Национальный исследовательский Томский государственный университет Специальность 032001 – Документоведение и документационное обеспечение управления |
| Минобрнауки россии) томский государственный университет (тгу) Рассмотрены и утверждены ученым советом международного факультета управления Томского госуниверситета | | Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова Краева К. В. К вопросу о специфике экзаменационного стресса у студентов // Вестник Университета. Государственный университет управления... |
