Forscher der Universität Bristol haben eine Methode entdeckt, die schnellere Kommunikationssysteme und eine bessere energiesparende Elektronik ermöglicht.
Der Durchbruch gelang mit der Etablierung einer Fernmessung des elektrischen Feldes in einem Halbleiter Gerät zum ersten Mal. A Halbleiter ist ein Material wie Silizium, das in elektronischen Geräten zur Steuerung des elektrischen Stroms verwendet werden kann.
Nun, in dieser neuen Studie, die heute in . veröffentlicht wurde Naturelektronik, skizzieren Wissenschaftler, wie dieses elektrische Feld genau quantifiziert werden kann, was bedeutet, dass Strom- und Hochfrequenz-Elektronikgeräte der nächsten Generation entwickelt werden können, die das Potenzial haben, schneller, zuverlässiger und energieeffizienter zu sein.
Das Design von Halbleiterbauelementen kann durch Versuch und Irrtum erfolgen, obwohl es häufiger auf einer Bauelementsimulation basiert, die dann die Grundlage für die Herstellung der Halbleiterbauelemente für reale Anwendungen liefert. Wenn es sich um neue und aufkommende Halbleitermaterialien handelt, war oft nicht bekannt, wie genau und korrekt diese Simulationen tatsächlich sind.
Prof. Martin Kuball von der School of Physics der University of Bristol sagte: „Halbleiter können dazu gebracht werden, positive oder negative Ladungen zu leiten und können daher so konstruiert werden, dass sie Strom modulieren und manipulieren. Diese Halbleiterbauelemente hören jedoch nicht bei Silizium auf, es gibt viele andere, darunter Galliumnitrid (das beispielsweise in blauen LEDs verwendet wird). Diese Halbleiterbauelemente, die beispielsweise einen Wechselstrom aus einer Stromleitung in einen Gleichstrom umwandeln, wodurch Energie als Abwärme verloren geht – sehen Sie sich zum Beispiel Ihren Laptop an, der Power-Brick wird warm oder sogar heiß. Wenn wir die Effizienz verbessern und diese Abwärme reduzieren können, sparen wir Energie.
„Man gilt als Spannung an ein elektronisches Gerät, und als Ergebnis wird in der Anwendung ein Ausgangsstrom verwendet. In diesem elektronischen Gerät befindet sich ein elektrisches Feld, das bestimmt, wie dieses Gerät funktioniert und wie lange es betriebsbereit ist und wie gut es funktioniert. Niemand konnte dieses elektrische Feld, das für den Betrieb des Geräts so grundlegend ist, tatsächlich messen. Man hat sich immer auf Simulationen verlassen, denen man nur schwer vertrauen kann, es sei denn, man kann ihre Genauigkeit tatsächlich testen.“
Um aus diesen neuen Materialien eine gute Leistung und langlebige elektronische Geräte herzustellen, ist es wichtig, dass die Forscher das optimale Design finden, bei dem die elektrischen Felder den kritischen Wert nicht überschreiten, was zu ihrer Verschlechterung oder ihrem Ausfall führen würde. Experten planen, anstelle von Silizium neu aufkommende Materialien wie Galliumnitrid und Galliumoxid zu verwenden, die einen Betrieb mit einer höheren Frequenz bzw. höheren Spannungen ermöglichen, sodass neue Schaltungen möglich werden, die den Energieverlust reduzieren. Diese von der Gruppe der University of Bristol veröffentlichte Arbeit wird ein optisches Werkzeug zur Verfügung stellen, um die direkte Messung des elektrischen Felds in diesen neuen Geräten zu ermöglichen. Dies wird die zukünftige effiziente Leistungselektronik in Anwendungen wie Solar- oder Windkraftanlagen, die in das öffentliche Stromnetz einspeisen, Elektroautos, Zügen und Flugzeugen untermauern. Ein geringerer Energieverlust bedeutet, dass Gesellschaften gar nicht erst so viel Energie produzieren müssen.
Prof. Kuball: „Wenn man bedenkt, dass diese Geräte mit höheren Spannungen betrieben werden, bedeutet dies auch, dass die elektrischen Felder in den Geräten höher sind und diese wiederum leichter ausfallen können. Die von uns entwickelte neue Technik ermöglicht es uns, elektrische Felder innerhalb der Geräte zu quantifizieren, was eine genaue Kalibrierung der Gerätesimulationen ermöglicht, die wiederum die elektronischen Geräte so gestalten, dass die elektrischen Felder kritische Grenzen nicht überschreiten und ausfallen.“
Prof. Kuball und sein Team planen, mit wichtigen Interessenvertretern der Branche zusammenzuarbeiten, um die Technik zur Weiterentwicklung ihres Geräts anzuwenden Technologie. Im akademischen Kontext werden sie mit Partnern innerhalb des 12 Millionen US-Dollar teuren ULTRA-Zentrums des US-Energieministeriums (DOE) zusammenarbeiten, in dem sie zusammenarbeiten, um diese Technik zu nutzen, um die Gerätetechnologie mit extrem großer Bandlücke Wirklichkeit werden zu lassen und Energieeinsparungen von mehr als 10 US-Dollar zu ermöglichen XNUMX % weltweit.
„Diese Entwicklung hilft Großbritannien und der Welt, Energiesparsysteme zu entwickeln Halbleiter Geräte, was ein Schritt in Richtung einer klimaneutralen Gesellschaft ist“, fügte er hinzu.