在全球電力系統(tǒng)日益數(shù)字化、高可靠性與低碳化并重的背景下，電力電子器件正經(jīng)歷著前所未有的性能迭代,朝著更快、更強(qiáng)、更智能的方向加速演進(jìn)。光電導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)（PCSS）是一類基于光觸發(fā)機(jī)制的電子開關(guān)，憑借其結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特性，在高壓防護(hù)、脈沖功率設(shè)備及電磁兼容系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特價(jià)值。然而，傳統(tǒng)PCSS技術(shù)長(zhǎng)期面臨核心瓶頸——無法在電壓/電流轉(zhuǎn)換速率極高（壓擺率要求高）情況下實(shí)現(xiàn)足夠的功率水平（如5MW及以上），這成為制約其進(jìn)入國(guó)家電網(wǎng)核心防護(hù)層及新能源系統(tǒng)的關(guān)鍵障礙。

造成這一局限的核心在于傳統(tǒng)材料體系的物理限制。當(dāng)前主流PCSS大多基于砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）等化合物半導(dǎo)體材料，這些材料存在如下問題：其一、臨界擊穿電場(chǎng)較低，限制了其耐壓性能；其二、熱導(dǎo)率低，難以支撐持續(xù)高功率運(yùn)行；其三、依賴亞帶隙激發(fā)的光觸發(fā)機(jī)制需引入深能級(jí)雜質(zhì)，不僅犧牲了開關(guān)響應(yīng)速度，更易引發(fā)電流局部集中（即細(xì)絲效應(yīng)）造成器件永久性損傷。

針對(duì)這一困局，美國(guó)科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種性能破紀(jì)錄的金剛石光電導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)，不僅刷新了PCSS在電壓、電流處理能力、壓擺率、效率和可靠性等多項(xiàng)指標(biāo)上的記錄，更為下一代高性能電力保護(hù)與控制設(shè)備提供了可行的新路徑。

該團(tuán)隊(duì)采用“本征金剛石”作為PCSS的核心材料。相較傳統(tǒng)半導(dǎo)體，金剛石具有極高的擊穿電場(chǎng)（約10 MV/cm）、優(yōu)異的熱導(dǎo)率（超過2000 W/m·K）、極高的載流子遷移率和帶隙寬度（5.5 eV），理論上具備在極端電壓與溫升條件下穩(wěn)定運(yùn)行的能力。此前，金剛石在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用更多集中于功率晶體管、熱界面材料等方向，其在光電導(dǎo)開關(guān)中的潛力尚未得到系統(tǒng)開發(fā)。

此外，該研究首次明確指出并驗(yàn)證，“越純凈”的金剛石材料，越能實(shí)現(xiàn)高效、高速的光電導(dǎo)觸發(fā)響應(yīng)。通過對(duì)比具有不同硼（B）和氮（N）雜質(zhì)濃度的金剛石基底樣品，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：本征金剛石制備的橫向PCSS器件，在響應(yīng)度、光電流與開關(guān)比等核心性能指標(biāo)上均優(yōu)于雜質(zhì)濃度更高的對(duì)照組，打破了此前“適當(dāng)摻雜可提升觸發(fā)效率”的固有認(rèn)識(shí)，為基于本征材料的極限性能釋放提供了理論支撐。

研究中報(bào)道的器件不僅在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了5MW等級(jí)的功率處理能力，同時(shí)具備高壓下穩(wěn)定觸發(fā)、極快上升沿（壓擺率）、高重復(fù)性與長(zhǎng)壽命運(yùn)行能力，整體表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前主流PCSS器件。更重要的是，該器件具備良好的工藝兼容性和尺寸可擴(kuò)展性，有望實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)向工業(yè)量產(chǎn)級(jí)器件的跨越。

在實(shí)際應(yīng)用層面，金剛石PCSS可廣泛用于需要高速、大功率、強(qiáng)抗干擾能力的場(chǎng)景，如智能電網(wǎng)開關(guān)、脈沖功率系統(tǒng)、軍用電磁發(fā)射系統(tǒng)、粒子加速器、空間能源管理設(shè)備等。其低集成復(fù)雜度、高觸發(fā)精度和環(huán)境適應(yīng)性，也為未來構(gòu)建柔性、分布式電力系統(tǒng)中的高可靠開關(guān)提供了理想路徑。

據(jù)了解，美國(guó)每年因電網(wǎng)故障造成的經(jīng)濟(jì)損失極高，因此未來電網(wǎng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)“更可靠、更具韌性、更低碳”的目標(biāo)，亟需可承受極端運(yùn)行條件、具備快速響應(yīng)能力、系統(tǒng)集成簡(jiǎn)潔的高性能電子保護(hù)與控制器件。金剛石PCSS正是這一類“電力電子開關(guān)中的理想型選手”。

從材料體系的角度看，金剛石PCSS也具備跨領(lǐng)域融合的潛力。例如在軍事脈沖功率裝置、電磁武器觸發(fā)系統(tǒng)、高能物理實(shí)驗(yàn)等場(chǎng)景，均需具備極端功率負(fù)載和毫秒級(jí)響應(yīng)能力的電子開關(guān)。而金剛石因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，也可滿足上述極端工況下的長(zhǎng)期運(yùn)行要求。隨著CVD金剛石大尺寸襯底與低缺陷率外延工藝的成熟，基于金剛石的PCSS將有可能步入“材料-器件-系統(tǒng)”全鏈條產(chǎn)業(yè)化階段。

然而金剛石PCSS當(dāng)前仍面臨產(chǎn)業(yè)化初期的典型問題。一方面，高純度金剛石材料制備仍依賴高成本的化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，其在一致性、產(chǎn)能和尺寸控制方面仍需進(jìn)一步提升；另一方面，光觸發(fā)系統(tǒng)本身尚需在激光器件微型化、耦合效率優(yōu)化等方面配合完善，才能實(shí)現(xiàn)真正“高功率+低門檻”的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。未來的研究需在金剛石材料的晶體缺陷控制、器件結(jié)構(gòu)微型化與系統(tǒng)集成等方面進(jìn)一步推進(jìn)。

關(guān)于碳方程