金剛石可能是美國電網(wǎng)所需的超級半導(dǎo)體，可以幫助電網(wǎng)和電動汽車更有效地管理大量電力。

       電力中斷每年給美國造成超過1500億美元的損失，電網(wǎng)也面臨著基礎(chǔ)設(shè)施老化和日益嚴重的天氣事件等挑戰(zhàn)。美國的目標是到2050年實現(xiàn)碳中和，因此增加電網(wǎng)容量和整合更多可再生能源至關(guān)重要。金剛石半導(dǎo)體可以大大提高人工智能數(shù)據(jù)中心、電動汽車以及小型消費電子產(chǎn)品的能源效率。因此，美國政府加大投入，以開發(fā)基于金剛石的新型電力電子技術(shù)。

       去年11月，美國能源部宣布向15個項目資助4200萬美元，旨在開發(fā)下一代半導(dǎo)體技術(shù)，以提高電網(wǎng)可靠性、彈性和靈活性。其中部分包括：開發(fā)金剛石半導(dǎo)體晶體管，用于電網(wǎng)控制基礎(chǔ)設(shè)施，以適應(yīng)更多分布式發(fā)電和波動性負荷；開發(fā)超寬帶隙光觸發(fā)器件，可滿足固態(tài)變壓器快速保護的需求；利用先進的超寬帶隙材料開發(fā)光電導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)器件，以改善對電網(wǎng)的控制；開發(fā)超寬帶隙開關(guān)器件，其電壓和速度超過當前最先進技術(shù)，從而為電網(wǎng)提供更復(fù)雜的控制方法；開發(fā)光觸發(fā)金剛石半導(dǎo)體開關(guān)器件，以實現(xiàn)電網(wǎng)保護技術(shù)的變革性突破等。

美國能源部資助的15個項目（部分），圖源：ARPA-E

       此外，伊利諾伊大學(xué)也獲得能源部數(shù)百萬美元的資助，用于開發(fā)光觸發(fā)金剛石半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備、打造高功率金剛石光電設(shè)備等項目。

       為什么是金剛石？

       首先，實驗室培育鉆石可以在數(shù)周時間內(nèi)制造出來（甚至在今年4月的研究中，科學(xué)家在常壓下，15分鐘內(nèi)就制造出了金剛石——戳此回顧：在標準大氣壓下生長金剛石）。相較天然鉆石，便宜且可持續(xù)的特點使其成為一種可行且重要的半導(dǎo)體替代品。

培育鉆石，圖源：網(wǎng)絡(luò)

       與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有許多優(yōu)勢。它是一種超寬帶隙材料，具有非常高的擊穿強度、更好的載流子遷移率和高熱導(dǎo)率；可以實現(xiàn)更快的開關(guān)和更高的額定功率的設(shè)備和電源模塊技術(shù)，從而改變電源管理；可以在更高的電壓和電流下工作，保持散熱的同時不導(dǎo)致電氣性能下降。

       2023年8月，伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員開發(fā)出一種金剛石半導(dǎo)體器件。該器件具有最高擊穿電壓和最低漏電流，凸顯了金剛石半導(dǎo)體在電網(wǎng)及其他高壓應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。隨著世界向可再生能源轉(zhuǎn)型，這種器件將使更高效的技術(shù)成為可能。

       此外，科研人員還在重點研究摻雜技術(shù)和制造工藝，使其更加實用且更具成本效益，并努力開發(fā)將金剛石與其他寬帶隙材料相結(jié)合的混合設(shè)備，以充分利用每種材料的優(yōu)勢。

       重新構(gòu)想50年前的技術(shù)：金剛石光電導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)

       1970年，具有革命性意義的光電導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)（PCSS）被發(fā)明出來。在此基礎(chǔ)上，伊利諾伊大學(xué)的研究人員更新了設(shè)計和材料——除了使用金剛石作為關(guān)鍵組件材料外，還改變了設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)，加入了一個埋藏的金屬導(dǎo)電通道，可實現(xiàn)更高的電流。通過新的光觸發(fā)和電流傳導(dǎo)方式，解決了受傳統(tǒng)光電導(dǎo)開關(guān)技術(shù)限制的影響。他們的目標是制造一種設(shè)備，該設(shè)備可以成為高溫、高效和可靠的電力電子設(shè)備的關(guān)鍵組件。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

       創(chuàng)新：光控半導(dǎo)體晶體管

       科研人員目前正在開發(fā)一種光控半導(dǎo)體晶體管，使未來的電網(wǎng)控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)更高的電壓和電流。

       該項目將開發(fā)和優(yōu)化金剛石光控結(jié)型場效應(yīng)晶體管技術(shù)，將改善未來電網(wǎng)架構(gòu)的控制、彈性和效率，這些架構(gòu)需要更高電壓和更高電流的設(shè)備以更高的速度運行。該設(shè)備在以前的光控晶體管版本上進行了創(chuàng)新，例如使用光來調(diào)制而不是控制電導(dǎo)率。

       與目前最先進的解決方案相比，金剛石光控結(jié)型場效應(yīng)晶體管技術(shù)有望提供10倍更好的性能。

       在電網(wǎng)中的潛在應(yīng)用

       美國電網(wǎng)目前正在進行轉(zhuǎn)型。在整合可再生能源，如太陽能和風能時需要高效可靠的電力轉(zhuǎn)換和配電系統(tǒng)，以此管理可再生能源的多變性。金剛石半導(dǎo)體可以通過使電力設(shè)備能夠以更高的效率處理更高的電壓和電流，從而在這一轉(zhuǎn)型中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

       例如，基于金剛石的電力設(shè)備可以提高逆變器的性能，逆變器將太陽能電池板和風力渦輪機的直流電轉(zhuǎn)換為家庭和企業(yè)使用的交流電。金剛石的高導(dǎo)熱性使這些設(shè)備能夠在更高的溫度下運行而不會退化，對于保持電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率和可靠性至關(guān)重要。

       此外，金剛石半導(dǎo)體可以提高固態(tài)變壓器的性能，這種變壓器比傳統(tǒng)變壓器更緊湊、更高效。固態(tài)變壓器對于將可再生能源整合到電網(wǎng)并更有效地管理電力流至關(guān)重要。通過使用金剛石半導(dǎo)體，固態(tài)變壓器可以在更高的頻率和電壓下運行，從而實現(xiàn)更高效的能量傳輸并減少能量損失。

       盡管在生產(chǎn)成本和制造技術(shù)方面仍存在重大挑戰(zhàn)，但持續(xù)的研究和開發(fā)工作正在為更廣泛地采用金剛石半導(dǎo)體鋪平道路。隨著這些技術(shù)的成熟，金剛石可能在未來的半導(dǎo)體技術(shù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動能源效率、可靠性和性能的進步。