اكتشف باحثون في جامعة بريستول طريقة تسمح بأنظمة اتصال أسرع وأفضل إلكترونيات موفرة للطاقة.
تم تحقيق هذا الاختراق من خلال تحديد كيفية قياس المجال الكهربائي عن بُعد داخل أ أشباه الموصلات الجهاز لأول مرة. أ أشباه الموصلات هي مادة، مثل السيليكون، يمكن استخدامها في الأجهزة الإلكترونية للتحكم في التيار الكهربائي.
الآن ، في هذه الدراسة الجديدة ، المنشورة اليوم في إلكترونيات الطبيعة، يحدد العلماء كيفية تحديد هذا المجال الكهربائي بدقة ، مما يعني أنه يمكن تطوير أجهزة إلكترونية من الجيل التالي للطاقة وترددات الراديو والتي لديها القدرة على أن تكون أسرع وأكثر موثوقية ، فضلاً عن توفير الطاقة بشكل أكبر.
يمكن أن يكون تصميم جهاز أشباه الموصلات عبارة عن تجربة وخطأ ، على الرغم من أنه يعتمد بشكل أكثر شيوعًا على محاكاة الجهاز والتي توفر بعد ذلك الأساس لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات لتطبيقات الحياة الواقعية. عندما تكون هذه مواد أشباه موصلات جديدة وناشئة ، غالبًا ما يكون غير معروف مدى دقة هذه المحاكاة وصحتها.
قال البروفيسور مارتن كوبال من كلية الفيزياء بجامعة بريستول: "يمكن تصنيع أشباه الموصلات لتوصيل الشحنات الموجبة أو السالبة ، وبالتالي يمكن تصميمها لتعديل التيار ومعالجته. ومع ذلك ، لا تتوقف أجهزة أشباه الموصلات هذه مع السيليكون ، فهناك العديد من الأجهزة الأخرى بما في ذلك Gallium Nitride (المستخدمة في مصابيح LED الزرقاء على سبيل المثال). أجهزة أشباه الموصلات هذه ، والتي تقوم على سبيل المثال بتحويل تيار التيار المتردد من خط طاقة إلى تيار مستمر ، مما يؤدي إلى فقد الطاقة على شكل حرارة مهدرة - انظر إلى الكمبيوتر المحمول ، على سبيل المثال ، فإن لبنة الطاقة تصبح دافئة أو حتى ساخنة. إذا تمكنا من تحسين الكفاءة وتقليل الحرارة المهدرة ، فسنوفر الطاقة.
"واحد يطبق أ الجهد االكهربى إلى جهاز إلكتروني ، ونتيجة لذلك ، يوجد تيار إخراج مستخدم في التطبيق. يوجد داخل هذا الجهاز الإلكتروني مجال كهربائي يحدد كيفية عمل هذا الجهاز ومدة تشغيله ومدى جودة تشغيله. لا أحد يستطيع في الواقع قياس هذا المجال الكهربائي ، وهو أساسي جدًا لتشغيل الجهاز. اعتمد المرء دائمًا على المحاكاة التي يصعب الوثوق بها ما لم تتمكن بالفعل من اختبار دقتها ".
للحصول على أداء جيد وأجهزة إلكترونية طويلة الأمد من هذه المواد الجديدة ، من المهم أن يجد الباحثون التصميم الأمثل ، حيث لا تتجاوز المجالات الكهربائية القيمة الحرجة التي قد تؤدي إلى تدهورها أو فشلها. يخطط الخبراء لاستخدام المواد الناشئة حديثًا مثل نيتريد الغاليوم وأكسيد الغاليوم بدلاً من السيليكون ، مما يسمح بالتشغيل بتردد أعلى وبجهد أعلى ، على التوالي ، بحيث تكون الدوائر الجديدة ممكنة التي تقلل من فقدان الطاقة. سيوفر هذا العمل الذي نشرته مجموعة جامعة بريستول أداة بصرية لتمكين القياس المباشر للمجال الكهربائي داخل هذه الأجهزة الجديدة. سيؤدي ذلك إلى تعزيز إلكترونيات الطاقة الفعالة في المستقبل في تطبيقات مثل محطات التوربينات الشمسية أو الرياح التي تغذي الشبكة الوطنية والسيارات الكهربائية والقطارات والطائرات. انخفاض فقدان الطاقة يعني أن المجتمعات لا تحتاج إلى إنتاج نفس القدر من الطاقة في المقام الأول.
قال البروفيسور كوبال: "بالنظر إلى أن هذه الأجهزة تعمل بجهد أعلى ، فإن هذا يعني أيضًا أن المجالات الكهربائية في الأجهزة أعلى وهذا بدوره يعني أنها يمكن أن تفشل بسهولة. تتيح لنا التقنية الجديدة التي طورناها تحديد المجالات الكهربائية داخل الأجهزة ، مما يسمح بمعايرة دقيقة لمحاكاة الأجهزة التي بدورها تصمم الأجهزة الإلكترونية بحيث لا تتجاوز المجالات الكهربائية الحدود الحرجة وتفشل ".
ويخطط البروفيسور كوبال وفريقه للعمل مع أصحاب المصلحة الرئيسيين في الصناعة لتطبيق هذه التقنية لتطوير أجهزتهم التكنلوجيا. في سياق أكاديمي، سيتعاملون مع شركاء داخل مركز ULTRA التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) الذي تبلغ تكلفته 12 مليون دولار، وهم شركاء فيه، لاستخدام هذه التقنية لجعل تكنولوجيا الأجهزة ذات فجوة النطاق الواسعة حقيقة واقعة، مما يسمح بتوفير الطاقة بما يزيد عن 10% في جميع أنحاء العالم.
"هذا التطور يساعد المملكة المتحدة والعالم على تطوير توفير الطاقة أشباه الموصلات الأجهزة ، وهي خطوة نحو مجتمع محايد للكربون ".