Supreme Semiconductor: промышленный алмаз

Sep 12, 2023

Промышленный алмаз считается лучшим полупроводником для снижения потерь при передаче энергии на большие расстояния. Хотя кремний сегодня является звездой полупроводников, алмаз может заменить его в ближайшие десятилетия. Благодаря превосходным электронным и тепловым мощностям эта замена открывает множество возможностей в области передачи энергии, бионики или аэронавтики, если ее стоимость снизится.

Одной из основных трудностей технологий энергоперехода является их высокая стоимость, особенно из-за использования редких материалов и металлов. В этом контексте использование алмазов, слишком дорогого материала, можно считать запретительным. Однако так считает Этьен Герарт, координатор европейского проекта GreenDiamond.

Цель проекта: замена кремниевых полупроводников преобразователя на алмазные для снижения потерь энергии при передаче электроэнергии от морских ветряных электростанций.

«Идея европейского проекта GreenDiamond состоит в том, чтобы максимально сократить потери энергии», — говорит Этьен Герарт. Для силовой электроники одним из наиболее важных факторов является поле пробоя материала. В случае с кремнием оно эквивалентно 300 000 В/см, что довольно мало. Однако в случае алмаза поле пробоя составляет 10 МВ/см.

Чтобы выдержать напряжение 1000 В, преобразователю потребуется слой толщиной 100 микрон, что приводит к значительному сопротивлению по сравнению с 1 микроном для алмаза. По оценкам, благодаря этому изменению потери энергии могут быть сокращены в четыре раза.

Электромобильность

При эквивалентной мощности, но уменьшенном размере алмаз открывает новые возможности для применения в бионике и транспорте. Поскольку вес материала является врагом номер 1 в конструкции автомобиля, такая замена становится очень интересной.

Если снижение веса связано с меньшими объемами материалов, устойчивость к высоким температурам также является основным аргументом в этих приложениях. При температуре выше 150°C свойства кремния изменяются и перестают быть оптимальными. Алмаз может легко нагреваться до 300°C. В результате там, где кремниевый преобразователь требует сложной системы охлаждения, компания Diamond предлагает более простые и легкие решения. «В случае электрификации самолетов мы можем представить переход от преобразователя массой 400 кг к преобразователю массой 50 кг, что было бы огромным выигрышем», — объясняет Этьен Герарт.

В общем, полупроводники — это материалы, неорганические или органические, которые способны контролировать свою функциональность в зависимости от химической структуры, температуры, освещения и присутствия легирующих примесей. Название полупроводника происходит от того факта, что эти материалы имеют электропроводность между электропроводностью металла, такого как медь, золото и т. д., и изолятора, такого как стекло. У них энергетическая щель менее 4 эВ (приблизительно 1 эВ). В физике твердого тела между валентной зоной и зоной проводимости существует энергетическая щель, в которой электронные состояния запрещены. В отличие от проводников, электроны в полупроводнике должны получить энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости.

Алмаз — это твердая форма элемента углерода, атомы которого расположены в кристаллической структуре, называемой кубическим алмазом. Алмазы также являются очень хорошими электрическими изоляторами, что, как ни странно, одновременно полезно и проблематично для электрических устройств. Алмаз — широкозонный полупроводник (Egap = 5,47 эВ) с высоким потенциалом в качестве материала во многих устройствах, включая электронику. Алмазные детекторы очень похожи на кремниевые детекторы, но обладают значительными преимуществами, особенно высокой радиационной стойкостью и очень низкими дрейфовыми токами.

Основные характеристики алмаза как современного полупроводникового материала

Применение преобразователей алмазов

Если КПД хорошего кремниевого конвертера составляет около 97%, то с помощью алмазного конвертера можно достичь 99%. Эта разница может показаться небольшой. Однако преимущества велики для некоторых конкретных применений, таких как передача электроэнергии HVDC (постоянный ток высокого напряжения) на большие расстояния, как в случае с морскими ветряными электростанциями. Чтобы обеспечить 1 ГВт мощности на континенте, экономится 20 МВт!