นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบริสตอลได้ค้นพบวิธีการที่จะช่วยให้ระบบสื่อสารเร็วขึ้นและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประหยัดพลังงานได้ดีขึ้น
ความก้าวหน้าเกิดขึ้นโดยการกำหนดวิธีการวัดสนามไฟฟ้าจากระยะไกลภายใน a สารกึ่งตัวนำ อุปกรณ์เป็นครั้งแรก ก สารกึ่งตัวนำ เป็นวัสดุ เช่น ซิลิคอน ซึ่งสามารถนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้าได้
ตอนนี้ในการศึกษาใหม่นี้เผยแพร่ในวันนี้ใน เนเจอร์อิเล็กทรอนิกส์นักวิทยาศาสตร์ได้สรุปวิธีการหาปริมาณสนามไฟฟ้าอย่างแม่นยำ ซึ่งหมายความว่าสามารถพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานและความถี่วิทยุรุ่นต่อไปซึ่งมีศักยภาพที่จะเร็วขึ้นและเชื่อถือได้มากขึ้นตลอดจนประหยัดพลังงานมากขึ้น
การออกแบบอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อาจเป็นการทดลองและข้อผิดพลาด แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะขึ้นอยู่กับการจำลองอุปกรณ์ซึ่งจะเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สำหรับการใช้งานในชีวิตจริง เมื่อสิ่งเหล่านี้เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่และที่เกิดขึ้นใหม่ มักไม่ทราบว่าการจำลองเหล่านี้แม่นยำและถูกต้องเพียงใด
ศ.มาร์ติน คูบอลล์ จาก School of Physics แห่งมหาวิทยาลัยบริสตอล กล่าวว่า “เซมิคอนดักเตอร์สามารถสร้างประจุบวกหรือลบได้ ดังนั้นจึงออกแบบให้ปรับและควบคุมกระแสได้ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้ไม่ได้หยุดเพียงแค่ซิลิคอน ยังมีอุปกรณ์อื่นๆ อีกมากมายรวมถึงแกลเลียมไนไตรด์ (เช่น ใช้ในไฟ LED สีน้ำเงิน) อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้ เช่น แปลงกระแสไฟ AC จากสายไฟเป็นกระแสตรง ส่งผลให้สูญเสียพลังงานเนื่องจากความร้อนเหลือทิ้ง ดูที่แล็ปท็อปของคุณ เช่น แบตเตอรีกำลังอุ่นหรือร้อนจัด หากเราสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและลดความร้อนทิ้งลงได้ เราจะประหยัดพลังงาน
“หนึ่งใช้a แรงดันไฟฟ้า ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ส่งผลให้มีกระแสไฟขาออกที่ใช้ในแอพพลิเคชั่น ภายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นี้มีสนามไฟฟ้าที่กำหนดวิธีการทำงานของอุปกรณ์นี้และจะใช้งานได้นานเท่าใดและทำงานได้ดีเพียงใด ไม่มีใครสามารถวัดสนามไฟฟ้านี้ได้ ดังนั้นจึงเป็นพื้นฐานของการทำงานของอุปกรณ์ เราต้องอาศัยการจำลองซึ่งยากต่อความเชื่อใจเสมอ เว้นแต่ว่าคุณจะสามารถทดสอบความแม่นยำของมันได้จริงๆ”
เพื่อให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีสมรรถนะที่ดีและใช้งานได้ยาวนานจากวัสดุใหม่เหล่านี้ เป็นสิ่งสำคัญที่นักวิจัยจะต้องค้นหาการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด โดยที่สนามไฟฟ้าจะต้องไม่เกินค่าวิกฤตซึ่งจะส่งผลให้เกิดการเสื่อมสภาพหรือความล้มเหลว ผู้เชี่ยวชาญวางแผนที่จะใช้วัสดุที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น แกลเลียมไนไตรด์และแกลเลียมออกไซด์แทนซิลิคอน ซึ่งช่วยให้ทำงานที่ความถี่สูงและที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นตามลำดับ เพื่อให้วงจรใหม่เป็นไปได้ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงาน งานนี้ตีพิมพ์โดยกลุ่มมหาวิทยาลัยบริสตอลจะจัดเตรียมเครื่องมือเกี่ยวกับแสงเพื่อให้สามารถวัดสนามไฟฟ้าภายในอุปกรณ์ใหม่เหล่านี้ได้โดยตรง สิ่งนี้จะช่วยสนับสนุนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่มีประสิทธิภาพในอนาคตในการใช้งาน เช่น สถานีพลังงานแสงอาทิตย์หรือกังหันลมที่ป้อนเข้าสู่กริดแห่งชาติ รถยนต์ไฟฟ้า รถไฟ และเครื่องบิน การสูญเสียพลังงานที่ลดลงหมายความว่าสังคมไม่จำเป็นต้องผลิตพลังงานมากเท่าเดิม
ศ.คูบอลล์ กล่าวว่า “เมื่อพิจารณาว่าอุปกรณ์เหล่านี้ทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า นี่ยังหมายถึงสนามไฟฟ้าในอุปกรณ์นั้นสูงขึ้น และในทางกลับกัน หมายความว่าอุปกรณ์เหล่านี้จะล้มเหลวได้ง่ายขึ้น เทคนิคใหม่ที่เราพัฒนาขึ้นช่วยให้เราสามารถวัดปริมาณสนามไฟฟ้าภายในอุปกรณ์ได้ ช่วยให้สอบเทียบการจำลองอุปกรณ์ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งจะออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้สนามไฟฟ้าไม่เกินขีดจำกัดวิกฤตและล้มเหลว”
ศาสตราจารย์ Kuball และทีมงานของเขาวางแผนที่จะทำงานร่วมกับผู้มีส่วนได้ส่วนเสียในอุตสาหกรรมหลักเพื่อใช้เทคนิคนี้ในการพัฒนาอุปกรณ์ของพวกเขา เทคโนโลยี. ภายในบริบททางวิชาการ พวกเขาจะมีส่วนร่วมกับพันธมิตรภายในศูนย์ ULTRA ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) มูลค่า 12 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ที่พวกเขาร่วมงานกัน เพื่อใช้เทคนิคนี้เพื่อทำให้เทคโนโลยีอุปกรณ์ bandgap แบบกว้างพิเศษเป็นจริง ช่วยให้ประหยัดพลังงานได้มากกว่า 10% ทั่วโลก
“การพัฒนานี้ช่วยให้สหราชอาณาจักรและทั่วโลกพัฒนาการประหยัดพลังงาน สารกึ่งตัวนำ อุปกรณ์ซึ่งเป็นขั้นตอนสู่สังคมที่เป็นกลางคาร์บอน” เขากล่าวเสริม