科学家开发GaN二极管，这是保护电网免受电磁干扰的重要一步

桑迪亚国家实验室的科学家们开发了一种新的氮化镓 (GaN) 二极管，该二极管可以在十亿分之一秒内分流多余的电力，同时以创纪录的 6,400 伏特运行——这是保护国家电网免受电磁脉冲（EMP）干扰的重要一步。

该团队于 3 月 10 日在IEEE Transactions on Electron Devices杂志上公布了他们设备的制造和测试结果。该团队的最终目标是通过一个在高达20000伏电压下工作的装置提供保护，使其免受EMP电压浪涌的影响——这可能导致长达数月的电力中断。大多数电网配电电子装置在13,000伏左右工作。

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。EMP 会在几十亿分之一秒内产生巨大的电压，可能会影响和损坏该国大部分地区的电子设备。

桑迪亚半导体设备研究人员说，EMP 不太可能发生，但如果发生并损坏构成电网骨干的巨大变压器，可能需要几个月的时间来更换并重新建立电力到全国受影响的部分。

二极管是几乎在所有电子设备中都可以找到的电子元件，用作单向调节阀，桑迪亚高级科学家 Mary Crawford 表示，该项目负责二极管设计和制造。二极管允许电流沿一个方向流过设备，但不允许电流流过另一个方向。它们可用于将交流电转换为直流电，并在该项目中将破坏性高压从敏感的电网变压器中转移出去。

由 EMP 引起的电压浪涌比闪电引起的电压浪涌快 100 倍，因此专家们不知道旨在保护电网免受雷击的设备是否能有效抵御 EMP。

该二极管之所以与众不同，部分原因在于它是由氮化镓制成的。氮化镓和硅一样是一种半导体，但由于它的化学特性，它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 EMP 影响所需的快速响应的理想选择。

研究人员通过使用称为化学气相沉积的工艺“生长”氮化镓半导体层制造了这些设备。首先，他们将市售的氮化镓晶片加热到大约 1,800 华氏度，然后添加包含镓和氮原子的蒸气。这些化学物质在晶片表面形成结晶氮化镓层。

通过调整成分和工艺，该团队可以生产出具有不同电气特性的层。通过以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，该团队生产出了具有所需行为的设备。

为了让团队达到他们在 20,000 伏下工作的设备的最终目标，他们需要将厚层生长得更厚，缺陷更少。构建能够在如此高的电压和电流下运行的设备还有其他几个技术挑战，包括管理设备内非常高的内部电场的设计。

除了保护电网免受 EMP 的影响之外，像 Sandia 氮化镓二极管这样的二极管器件还可以用于其他目的。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力转换为家用电器使用的电力的电子设备，甚至是电动汽车充电基础设施。

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。该项目的另一部分是为这些类型的设备开发二极管，这些设备在高电压下工作，但更容易制造。海军研究实验室正在领导该项目的这一部分。

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。获 取 更多前沿科技 研究 进展访问：https://byteclicks.com

由桑迪亚国家实验室的科学家团队创造的一系列创纪录的氮化镓二极管的特写。这些二极管是保护电网免受 EMP 影响的一步。