I ricercatori dell'Università di Bristol hanno scoperto un metodo che consentirà sistemi di comunicazione più veloci e una migliore elettronica a risparmio energetico.
La svolta è stata fatta stabilendo come misurare a distanza il campo elettrico all'interno di un Semiconduttore dispositivo per la prima volta. UN semiconduttore è un materiale, come il silicio, che può essere utilizzato nei dispositivi elettronici per controllare la corrente elettrica.
Ora, in questo nuovo studio, pubblicato oggi in Elettronica per la natura, gli scienziati spiegano come quantificare con precisione questo campo elettrico, il che significa che è possibile sviluppare dispositivi elettronici a radiofrequenza e di potenza di prossima generazione che hanno il potenziale per essere più veloci, più affidabili e più efficienti dal punto di vista energetico.
La progettazione di dispositivi a semiconduttore può essere basata su tentativi ed errori, anche se più comunemente si basa su una simulazione del dispositivo che fornisce quindi la base per la produzione di dispositivi a semiconduttore per applicazioni reali. Quando si tratta di materiali semiconduttori nuovi ed emergenti, spesso non si sa quanto siano effettivamente accurate e corrette queste simulazioni.
Il professor Martin Kuball della School of Physics dell'Università di Bristol ha dichiarato: “I semiconduttori possono essere realizzati per condurre cariche positive o negative e possono quindi essere progettati per modulare e manipolare la corrente. Tuttavia, questi dispositivi a semiconduttore non si fermano al silicio, ce ne sono molti altri tra cui il nitruro di gallio (utilizzato ad esempio nei LED blu). Questi dispositivi a semiconduttore, che ad esempio convertono una corrente CA da una linea di alimentazione in una corrente CC, con conseguente perdita di energia come calore disperso: guarda il tuo laptop, ad esempio, il power brick si sta riscaldando o addirittura si surriscalda. Se potessimo migliorare l'efficienza e ridurre questo calore disperso, risparmieremo energia.
“Uno si applica a voltaggio a un dispositivo elettronico e, di conseguenza, c'è una corrente di uscita utilizzata nell'applicazione. All'interno di questo dispositivo elettronico c'è un campo elettrico che determina come funziona questo dispositivo e per quanto tempo sarà operativo e quanto è buono il suo funzionamento. Nessuno poteva effettivamente misurare questo campo elettrico, così fondamentale per il funzionamento del dispositivo. Ci si affidava sempre alla simulazione, di cui è difficile fidarsi a meno che non si possa effettivamente testarne l'accuratezza".
Per ottenere buone prestazioni e dispositivi elettronici di lunga durata con questi nuovi materiali è importante che i ricercatori trovino il design ottimale, in cui i campi elettrici non superino il valore critico che comporterebbe il loro degrado o guasto. Gli esperti prevedono di utilizzare materiali emergenti come il nitruro di gallio e l'ossido di gallio anziché il silicio, consentendo il funzionamento rispettivamente a una frequenza ea tensioni più elevate, in modo che siano possibili nuovi circuiti che riducano la perdita di energia. Questo lavoro pubblicato dal gruppo dell'Università di Bristol fornirà uno strumento ottico per consentire la misurazione diretta del campo elettrico all'interno di questi nuovi dispositivi. Ciò sosterrà l'elettronica di potenza efficiente futura in applicazioni come stazioni di turbine eoliche o solari che alimentano la rete nazionale, auto elettriche, treni e aerei. La riduzione della perdita di energia significa che le società non hanno bisogno di produrre tanta energia in primo luogo.
Il professor Kuball ha dichiarato: “Considerando che questi dispositivi funzionano a tensioni più elevate, ciò significa anche che i campi elettrici nei dispositivi sono più elevati e questo, a sua volta, significa che possono guastarsi più facilmente. La nuova tecnica che abbiamo sviluppato ci consente di quantificare i campi elettrici all'interno dei dispositivi, consentendo una calibrazione accurata delle simulazioni dei dispositivi che a loro volta progettano i dispositivi elettronici in modo che i campi elettrici non superino i limiti critici e si guastino".
Il professor Kuball e il suo team intendono collaborare con le principali parti interessate del settore per applicare la tecnica per far avanzare il loro dispositivo la tecnologia. In un contesto accademico, si impegneranno con i partner del centro ULTRA del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) da 12 milioni di dollari, con cui collaborano, per utilizzare questa tecnica per trasformare in realtà la tecnologia dei dispositivi con banda proibita ultralarga, consentendo risparmi energetici superiori a 10% in tutto il mondo.
“Questo sviluppo aiuta il Regno Unito e il mondo a sviluppare il risparmio energetico semiconduttore dispositivi, che è un passo verso una società a emissioni zero", ha aggiunto.