第三代宽禁带半导体(SiC)器件在空间太阳能电站中的应用及进展

第三代宽禁带半导体(SiC、GaN)器件以其固有的大功率、耐高温及恶劣环境、抗辐照等特点，在替代传统的Si基器件方面具有无与伦比的技术优势。文章概述了第三代半导体（SiC）器件的发展现状，介绍了国内外第三代宽禁带半导体（SiC）器件研究进展及应用情况，并展望了第三代宽禁带半导体器件在空间太阳能电站中的应用前景。     

X/Ku波段宽带GaN微波固态功放技术研究

GaN作为新一代半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点成为近几年来的研究热点,随着GaN功率管性能的不断提高,以GaN为基础的微波功率器件的应用取得了很大的进步.根据电子对抗领域微波固态功放的特点,设计一款基于GaN功率器件的X/Ku波段20W宽带固态功放,并给出了测试结果.     

AlGaN/GaN HEMT质子辐射效应研究进展

氮化镓（GaN）基异质结材料以其宽禁带、耐高温、高击穿电压以及优异的抗辐射性能成为航天领域半导体材料的研究和应用热点。而基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其制备过程带来的缺陷和损伤,性能将受到空间辐射的严峻挑战。文章对空间辐射环境下AlGaN/GaN HEMT的辐射机理和效应进行梳理;针对低中地球轨道以质子为主的辐射环境,对不同能量和注量的质子辐照对AlGaN/GaN HEMT的效应进行系统分析。鉴于从压电极化角度分析AlGaN/GaN HEMT的质子辐射效应存在欠缺,且不同能量和注量的质子辐照对器件的影响不同,提出后续应开展AlGaN/GaN HEMT辐射损伤机制、不同轨道辐射环境模拟以及质子辐照对AlGaN/GaN HEMT宏观特性影响研究。     

用于空间太阳能电站的新型高效半导体功率器件可靠性研究

文章重点围绕GaN基HEMT器件的辐照效应和高场退化效应进行论述,立足于空间用GaN基HEMT器件技术发展需求,着眼于空间用GaN基HEMT器件的可靠性研究进展,从理论上分析材料和器件参数变化的原因,提出星载GaN基HEMT器件的高可靠性、长寿命控制手段。     

InGaAsP快速外延生长及其在太阳电池中的应用

四元InGaAsP混晶是一种理想的可用于窄禁带太阳电池制备的半导体材料。本文研究了InP衬底上InGaAsP材料在不同外延生长速度下的掺杂特性和晶体质量。通过电化学电容-电压测试法,实验发现高生长速率下InGaAsP材料的Zn掺杂的掺杂浓度与Ⅲ族源流量无关,而Si掺杂的掺杂浓度随Ⅲ族源流量增加而减少。通过瞬态荧光光谱测试方法,实验发现高生长速率下InGaAsP材料非辐射复合和界面复合占比减少,载流子输运效率得到了提升。最后,带隙组合为1.16 eV/0.88 eV的高生长速率InP基双结电池完成器件工艺后进行测试,其在AM0光照条件下开路电压为1 287 mV,平均电压损失为340 mV。     

高效四结砷化镓太阳电池设计与在轨性能分析

对一种新型反向生长工艺四结砷化镓太阳电池(IMM四结电池)开展了设计和在轨性能试验分析。该电池所用半导体材料的禁带宽度分别为1.9、1.4、1.0、0.7 eV,材料特性的变化改善了4个P-N结与AM0太阳光谱的匹配关系。文章介绍了该电池在提高光电转换效率方面的结构和工艺设计,通过实施在轨真实应用环境试验,全面系统获取四结砷化镓太阳电池在轨运行期间的遥测数据并进行分析处理,结果显示电池开路电压3.321 V,短路电流密度15.76 mA/cm2,实际在轨转换效率在34.44%～34.79%之间,各项关键性能指标相较于三结砷化镓太阳电池有大幅度提高。     

SSPS太阳能收集系统研究现状及发展趋势

为研究太阳能收集系统在未来空间太阳能电站(SSPS)中的发展和应用,对比和分析国内外典型系统设计方案的结构特点、光收集特性及优、缺点,展望空间太阳能电站太阳能收集系统的发展趋势,并提出对新材料、新结构、新技术、新理论和新方法的发展和应用需求。     

充气式天基太阳能电站方案构想

为了解决现有天基太阳能电站面临的技术难度和成本问题,尽早使其实用化,文章提出了一种新型充气式球形天基太阳能电站概念。概述了新型电站的工作原理、系统构成及功能,重点分析了通过采用球形柔性薄膜太阳能电池和空间充气展开结构材料技术,新型电站无须对日定向,能高效折叠存储升空和大大降低发电模块质量。文章还对新型电站总体设计、折叠展开、在轨刚化、高精度姿态控制及大功率电量存储和传输等关键技术进行了简要论述,可为未来天基太阳能电站的技术发展提供参考。     

用于空间太阳能电站的大功率正交场微波源分析

针对空间太阳能电站应用微波源，介绍了两种大功率真空电子器件磁控管和正交场放大管的基本工作原理，当前国内外两种器件所达到的效率和功率容量特性。从太阳能电站应用角度出发，对两种电真空器件潜在的效率、寿命及可靠性进行了对比和研究，根据两种器件的自身特性，面向高功率合成提出了技术方案和建议。研究结果表明，从寿命、效率和功率合成角度来看，采用正交场放大管作为太阳能电站微波源更为适宜，对太阳能电站系统方案选择与设计具有一定参考价值。     

SiC MOSFET器件单粒子烧毁仿真分析

应用于航天器的宽禁带半导体功率器件会受到空间带电粒子的影响而存在单粒子烧毁（SEB）风险。为研究单粒子烧毁的机理及防护措施，文章利用半导体工艺器件仿真（TCAD）对SiC MOSFET器件进行了SEB仿真分析，发现粒子入射最敏感位置时器件发生SEB的阈值电压在500 V。同时，通过仿真获得器件微观电参数分布特性，分析认为器件发生SEB的机理是寄生晶体管的正反馈作用导致缓冲层和基区的电场强度（5.4 MV/cm和4.2 MV/cm）超过SiC材料击穿场强（3 MV/cm）。此外，针对仿真揭示的器件SEB薄弱区域，提出将P+源区的深度向下延伸至Pbase基区底部的工艺加固思路，并通过仿真验证表明该措施使器件发生SEB的阈值电压提高到近550 V。以上模拟结果可为该类器件的抗SEB设计提供技术支持。