麻省理工學(xué)院（MIT）的一個(gè)研究小組開發(fā)出了一種超導(dǎo)二極管器件（低溫超導(dǎo)器件），他們說這種器件將提高電子產(chǎn)品的能源和熱效率，相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表在了《Physical Review Letters》的在線期刊上。

麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的超導(dǎo)二極管（一種開關(guān)器件）仍處于設(shè)計(jì)初期。然而，即便如此，該論文的主要作者Jagadeesh Moodera等人表示，在承載電流（和防止損耗）方面，該二極管的效率已經(jīng)是以前的二極管架構(gòu)的兩倍，并且有足夠的設(shè)計(jì)空間來改善其特性。

它將徹底改變芯片，甚至可能影響量子計(jì)算。事實(shí)上，這一發(fā)展是一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镸IT的研究團(tuán)隊(duì)研究了拓?fù)淞孔颖忍氐臉?gòu)建塊之一的“馬約拉納費(fèi)米子” (/ma???rɑ?n? ?f??rmi??n/)，這是一種尚未得到證實(shí)的量子比特設(shè)計(jì)。該研究團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到他們受馬約拉納費(fèi)米子啟發(fā)的超導(dǎo)二極管工作可以很容易地轉(zhuǎn)移到經(jīng)典（即非量子）電路領(lǐng)域。

二極管是任何芯片的關(guān)鍵基礎(chǔ)部分，也是電路設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。雖然晶體管用于將輸入信號(hào)從低電阻電路放大到芯片內(nèi)的高電阻電路，而二極管通常負(fù)責(zé)將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC）。而且二極管還具有在一個(gè)方向上單向傳導(dǎo)電流的特性，它們的單向特性是通過兩種類型的電荷載流子（電子和空穴）的導(dǎo)電行為的差異來實(shí)現(xiàn)的。這使得它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中具有廣泛的應(yīng)用。

由于芯片設(shè)計(jì)受到電損耗產(chǎn)生的熱量的強(qiáng)烈限制（這是一個(gè)瓶頸，晶體管設(shè)計(jì)和以有限的方式處理這些問題的新冷卻技術(shù)越來越復(fù)雜），所以無損二極管在改善計(jì)算和熱效率方面的好處不應(yīng)被低估。

超導(dǎo)二極管也可用于傳感器和其他設(shè)備。但是由于超電流只有一種類型的載流子——所謂的庫珀對(duì)中的電子——實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管更加困難。2020 年，研究人員在由層狀材料制成的超導(dǎo)器件中展示了二極管效應(yīng)，該器件需要精確堆疊、強(qiáng)自旋-軌道耦合和獨(dú)特形式的庫珀配對(duì)。現(xiàn)在，MIT研究團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的超導(dǎo)二極管，不僅更有效，設(shè)計(jì)也更簡單。

該團(tuán)隊(duì)的二極管設(shè)計(jì)由一條鈮或釩的細(xì)條組成。與大多數(shù)單元素超導(dǎo)體不同，鈮和釩都是II型超導(dǎo)體，這意味著施加的適當(dāng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)會(huì)誘發(fā)超電流渦旋的形成，這些漩渦都以相同的意義旋轉(zhuǎn)。Moodera及其同事施加了垂直于其設(shè)備表面的這種場(chǎng)，在條帶內(nèi)引起渦流，以及沿著條帶邊緣的超電流（稱為邁斯納電流）。從上面看，一個(gè)邊沿電流向右流動(dòng)（在“向前”方向），另一個(gè)向左流動(dòng)（在“反向”方向）。然后，研究人員在條帶的末端發(fā)送外部電流 - 正向和反向 - 并測(cè)量每種情況下的凈電流。

MIT的研究小組表明，二極管器件邊緣之間的微小差異可以優(yōu)化（通過添加鋸齒狀邊緣或應(yīng)用其他變形）。這就是為什么設(shè)計(jì)仍然有待優(yōu)化的原因：可能的設(shè)計(jì)變化量是巨大的，只有還有很多時(shí)間來找到最好的非對(duì)稱配置。

至關(guān)重要的是，該團(tuán)隊(duì)表示其超導(dǎo)二極管堅(jiān)固耐用，能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，同時(shí)可能為新技術(shù)和設(shè)計(jì)打開大門。工程師們表示，這些二極管的設(shè)計(jì)簡單且兼容，易于擴(kuò)展到數(shù)百萬個(gè)二極管可以在單個(gè)硅晶圓上生產(chǎn)。


兩種二極管芯片工藝

TVS二極管質(zhì)量的好壞取決于芯片工藝。目前，行業(yè)內(nèi)使用的TVS二極管芯片工藝主要有兩種：玻璃鈍化（GPP）和酸洗（OJ）。

從上圖中可以看出，玻璃鈍化（GPP）和酸洗（OJ）芯片工藝最大不同的地方，就是在P-N結(jié)的保護(hù)上。

TVS二極管的GPP工藝結(jié)構(gòu)，其芯片P-N結(jié)是在鈍化玻璃的保護(hù)之下。玻璃是將玻璃粉采用800度左右的燒結(jié)熔化，冷卻后形成玻璃層。這玻璃層和芯片熔為一體，無法用機(jī)械的方法分開。

而TVS二極管的OJ工藝結(jié)構(gòu)，其芯片P-N結(jié)是在涂膠的保護(hù)之下。采用涂膠保護(hù)結(jié)，然后在200度左右溫度進(jìn)行固化，保護(hù)P-N結(jié)獲得電壓。OJ的保護(hù)膠僅僅是覆蓋在P-N結(jié)的表面。

玻璃鈍化（GPP）和酸洗（OJ）芯片工藝由于結(jié)構(gòu)的不同，當(dāng)有外力產(chǎn)生時(shí)，冷熱沖擊，OJ工藝結(jié)構(gòu)的TVS二極管，由于保護(hù)膠和硅片不貼合，會(huì)產(chǎn)生漏氣，導(dǎo)致器件出現(xiàn)一定比率的失效。GPP工藝結(jié)構(gòu)的TVS二極管，可靠性很高，在150度的HTRB時(shí)，表現(xiàn)仍然很出色；而OJ工藝的產(chǎn)品僅僅能夠承受100度左右的HTRB。


中國二極管芯片行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀及競(jìng)爭(zhēng)格局

中國二極管芯片行業(yè)的市場(chǎng)現(xiàn)狀相當(dāng)復(fù)雜，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)水平落后，競(jìng)爭(zhēng)格局混亂，以及市場(chǎng)細(xì)分和空間有限等多重因素所造成的影響。

從行業(yè)規(guī)模看，中國二極管芯片行業(yè)的總體規(guī)模較大，全國二極管芯片產(chǎn)量達(dá)到520億片，產(chǎn)值達(dá)到2420億元，占全球二極管芯片市場(chǎng)的比重達(dá)到全球的30%以上。中國的二極管芯片行業(yè)經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展的歷程，其中許多企業(yè)開始從技術(shù)到市場(chǎng)營銷都有了很大的發(fā)展，但同時(shí)也存在許多問題，比如價(jià)值鏈的斷裂以及產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定等等。

從競(jìng)爭(zhēng)格局看，中國的二極管芯片行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局相當(dāng)復(fù)雜，其中以國營企業(yè)為主，有許多國內(nèi)外企業(yè)也參與了這一競(jìng)爭(zhēng)，形成了一個(gè)多元化的競(jìng)爭(zhēng)格局。國營企業(yè)的優(yōu)勢(shì)在于規(guī)模、技術(shù)、資金等方面，而外資企業(yè)則在于市場(chǎng)營銷、產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新等方面，形成了一種競(jìng)爭(zhēng)性的格局。

從市場(chǎng)細(xì)分看，中國二極管芯片行業(yè)存在著許多細(xì)分市場(chǎng)，涉及到計(jì)算機(jī)、通訊、家用電器、車載電子、安防電子、電池等行業(yè)。計(jì)算機(jī)、通訊和家用電器行業(yè)是中國二極管芯片行業(yè)的主要消費(fèi)者，消費(fèi)量占比最大，車載電子、安防電子和電池行業(yè)都是較新興的行業(yè)，雖然消費(fèi)量不大，但發(fā)展?jié)摿艽蟆?/span>

中國二極管芯片行業(yè)存在著空間有限的問題，其中主要體現(xiàn)在技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量上，中國二極管芯片行業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量不能夠跟上國際上的先進(jìn)水平，因此面臨著很大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研在線發(fā)布的2023-2029年中國二極管芯片行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展趨向分析報(bào)告分析，競(jìng)爭(zhēng)格局混亂，市場(chǎng)細(xì)分空間有限，技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量也存在一定的差距，中國的二極管芯片企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)營銷，以提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力。