由西安電子科技大學的研究團隊在學術期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 發(fā)布了一篇名為 Active Thermal Management for β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes Based on Thermoelectric Coolers（基于熱電冷卻器的 β-Ga₂O₃ 肖特基勢壘二極管的活性熱管理）的文章。

1. 項目支持

該項目由國家自然科學基金（批準號：U2241220 和 62421005）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（批準號：YJSJ25013）、國家輻射應用創(chuàng)新中心基金（批準號：KFZC2022020401）、國家重點研發(fā)計劃（批準號：2023YFB3611900）提供支持。

2. 背景

β相氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其 4.8 eV 的寬帶隙、8 MV/cm 的高臨界擊穿電場和 1.5 × 10⁷ cm/s的高電子飽和速度，在實現(xiàn)高壓大電流功率器件應用方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其巴利加優(yōu)值（BFOM）超過 3000（4H-SiC 為 320，GaN 為 860）。然而，與 4H-SiC 和 GaN 相比，β-Ga₂O₃ 較低的熱導率（約 27 W/mK，約為 4H-SiC 的 1/20，GaN 的 1/5）限制了其在運行過程中的散熱，導致嚴重的自熱效應。這種自熱限制了其電學性能并損害了其長期可靠性。因此，設計良好且高效的熱管理解決方案對于確保 β-Ga₂O₃ 電子器件的高性能和穩(wěn)定性，同時保持其小型化至關重要。

3. 主要內容

鑒于 β-Ga₂O₃ 較低的熱導率，有效的散熱對于保持其高輸出功率和可靠性至關重要。本研究采用實驗和數值方法，提出了一種使用熱電冷卻器（TECs）對 β-Ga₂O₃ 肖特基勢壘二極管（SBDs）進行主動熱管理的模型。SBD 產生的熱量可以通過熱電（TE）材料中的珀爾帖效應有效地散發(fā)到周圍環(huán)境。實驗結果表明，在 TEC 輸入電流為 6 A 時，即使 SBD 輸出功率達到 25 W，殼溫仍保持在 25 °C 以下，與 TEC 關閉時相比，結溫最大降低了 74.5 °C。在 TEC 輸入電流為 3 A 時，SBD 的凈輸出功率達到 11.8 W，相應的提升比例為 36.9%。在仿真中，分析了 TEC 參數以優(yōu)化結溫。熱電臂高度每降低 0.1 毫米，結溫降低 5.3 °C。塞貝克系數通過材料參數的協(xié)同優(yōu)化顯著影響結溫。這項工作為設計和優(yōu)化使用 TEC 的 β-Ga₂O₃ SBD 的熱管理提供了指導。

4. 創(chuàng)新點

● 首次引入熱電制冷（TEC）主動散熱方案，顯著降低器件結溫（最高降幅達 74.5°C），有效緩解自熱問題。

● 建立多物理場仿真模型，系統(tǒng)優(yōu)化 TEC 幾何與材料參數，實現(xiàn)高效熱管理設計。

● 提出能效最優(yōu)工作點策略，在確保熱控效果的同時避免功耗反超，器件凈輸出功率提升達 36.9%。

● 構建 TEC + 液冷一體化散熱系統(tǒng)，驗證其在高功率輸出下的溫控潛力，拓展 β-Ga₂O₃ 器件工程化應用路徑。

5. 結論

本研究提出了一種基于熱電冷卻器（TEC）的 β-Ga₂O₃ 肖特基勢壘二極管（SBD）主動熱管理模型。通過實驗測量和仿真方法，全面分析了 SBD 的熱學和電學性能。實驗結果表明，在 TEC 輸入電流為 6 A、SBD 輸出功率為 25 W 時，SBD 的結溫比 TEC 關閉時降低了 74.5 °C，結至殼的最大熱阻降低比為 27%。此外，在 TEC 輸入電流為 3 A 時，相同結溫下 SBD 的最大凈輸出功率約為 11.8 W，對應于 36.9% 的提升比例。

圖1. 實驗過程示意圖。

圖2. SBD結構的橫截面示意圖。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3569507

本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號