6,400V GaN 二极管可以保护电网免受电磁脉冲的影响

新的桑迪亚（Sandia）二极管可以在十亿分之一秒内分流多余的电能

美国桑迪亚国家实验室的科学家们宣布了一种基于 GaN 的二极管，该二极管可以在十亿分之一秒内分流多余的电能，同时在创纪录的 6,400 伏电压下运行——这是保护国家电网免受电磁脉冲影响的重要一步.

该团队于 3 月 10 日在《IEEE电子设备交易》（IEEE Transactions on Electron Devices）上发布了他们器件的制造和测试结果。该团队的最终目标是通过电压高达 20,000 伏的器件提供对电压浪涌的保护，这可能导致长达数月的电源中断。

电磁脉冲（EMP ）可能由自然现象（如太阳耀斑）或人类活动（如大气中的核爆炸）引起。 电磁脉冲会在几十亿分之一秒内产生巨大的电压，可能会影响和破坏该国大部分地区的电子器件。

桑迪亚半导体器件研究小组的经理 Bob Kaplar 表示，电磁脉冲不太可能发生，但如果发生并损坏构成我们电网主干的巨大变压器，可能需要几个月的时间来更换它们，并为全国受影响的地区重新供电。

“这些器件之所以能保护电网免受电磁脉冲的影响，不仅在于它们可以达到高压——其他器件也可以达到高压——而且它们可以在几十亿分之一秒内做出响应，”Kaplar说. “虽然该器件正在保护电网免受电磁脉冲的影响，但它的电压非常高，并且有数千安培的电流通过它，这是一个巨大的功率。一种材料只能在一定时间内处理这么大的功率，但我们认为我们二极管中的材料比其他材料具有一些优势。”

新的桑迪亚器件可以在几十亿分之一秒内分流创纪录的 6,400 伏特的电力——这是一项重大进步，有助于保护国家电网免受电磁脉冲的影响。该团队，包括该论文的第一作者桑迪亚电气工程师 Luke Yates，正在努力制造能够在 20,000 伏左右工作的二极管，因为大多数电网配电电子器件的工作电压约为 13,000 伏。

负责该项目二极管设计和制造的桑迪亚高级科学家 Mary Crawford 表示，这种 GaN 二极管之所以特别，部分原因在于它能在击穿之前可以承受比硅高得多的电压。材料本身的响应速度也非常快，因此是实现保护电网免受电磁脉冲影响所需的快速响应的良好候选材料。

Crawford 和材料科学家 Brendan Gunning 和 Andrew Allerman 使用化学气相沉积（CVD）的 GaN 半导体层制造了这些器件。通过调整成分和“baking”过程，该团队可以生产出具有不同电气特性的层。通过按特定顺序构建这些层，并结合蚀刻和添加电触点等加工步骤，这个团队生产出了具有所需性能的器件。

“实现这些超高压二极管的主要挑战是需要非常厚的氮化镓层，”Crawford说。 “这些器件的漂移区的厚度约为 50 微米，或笔记本纸厚度的 1/6。这听起来可能不多，但我们使用的生长过程每小时的生长速度只有一到两微米。第二个主要挑战是在整个生长过程中保持极低密度的晶体缺陷，特别是半导体材料中的杂质或原子空位，以便生成在这些极高电压下工作的器件。”

Crawford说，为了实现在 20,000 伏电压下运行的器件的最终目标，他们需要将厚层生长得更厚，缺陷更少。她补充说，要构建一个能够在如此高的电压和电流下运行的器件，还有其他一些技术挑战，包括管理器件内部极高的电场的设计。

适用于智能变压器、太阳能电池板转换器等

Kaplar 说，除了保护电网免受电磁脉冲的影响之外，Sandia GaN 这样的二极管器件还可用于其他用途。其中包括用于电网的智能变压器、将屋顶太阳能电池板的电能转换为家用电器使用的电能的电子器件，甚至是电动汽车充电基础设施。

他补充说，通常太阳能电池板转换器和电动汽车充电基础设施可以处理 1,200 或 1,700 伏的电压。但是在更高的电压下运行可以实现更高的效率和更低的电力损失。 Kaplar 说，这个项目的另一部分是为这些类型的器件开发二极管，这些器件在高电压下工作，但不是破纪录的电压却更容易制造的高电压。海军研究实验室正在领导该项目的这一部分。

一些智能变压器和电子器件现在可以在高达 3,300 伏的电压下运行，但如果它们能够在 10,000 或 15,000 伏的电压下使用一个半导体器件运行，效率将会更高。

“我们的首要目标是保护电网，但除此之外，这些器件还有其他用途，”团队中的桑迪亚电网弹性专家 Jack Flicker 说。“拥有我们的应用领域很有趣，但要知道这些器件可用于电力电子、电源转换器以及所有高压设备。”

这项研究由 ARPA-E 资助，更大的项目是与海军研究实验室、斯坦福大学、国家标准与技术研究所、EDYNX 和 Sonrisa Research 合作进行的。

上图：Luke Yates（左）将一块GaN 晶片交给电网弹性专家 Jack Flicker。

参考资料

'Demonstration of >6.0-kV Breakdown Voltage in Large Area Vertical GaN p-n Diodes With Step-Etched Junction Termination Extensions' by Luke Yates et al; IEEE Transactions on Electron Devices (2022)

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