Az elektromos mezők számszerűsítése félvezető eszközökben: A vázlat az elektromos téreloszlást mutatja egy GaN tranzisztor csatornájában; A lézersugarak kiemelik a technika második harmonikus generációs (SHG) jellegét. hitel: Yuke Cao
A Bristoli Egyetem kutatói olyan módszert fedeztek fel, amely gyorsabb kommunikációs rendszereket és jobb energiatakarékos elektronikát tesz lehetővé.
Az áttörést úgy hozta meg, hogy először sikerült meghatározni, hogyan lehet távolról mérni egy félvezető eszközön belüli elektromos mezőt. A félvezető olyan anyag, mint például a szilícium, amely elektronikus eszközökben elektromos áram szabályozására használható.
Ebben az új tanulmányban, amelyet 21. június 2021-én tettek közzé Természeti elektronika, a tudósok felvázolják, hogyan lehet pontosan számszerűsíteni ezt az elektromos mezőt, ami azt jelenti, hogy új generációs elektromos és rádiófrekvenciás elektronikai eszközöket lehet kifejleszteni, amelyek gyorsabbak, megbízhatóbbak és energiahatékonyabbak.
A félvezető eszközök tervezése lehet próbálkozás és hiba, bár gyakrabban olyan eszközszimuláción alapul, amely azután a valós alkalmazásokhoz szükséges félvezető eszközök gyártásának alapját adja. Amikor ezek új és feltörekvő félvezető anyagok, gyakran nem ismert, hogy ezek a szimulációk mennyire pontosak és helyesek.
Martin Kuball, a Bristoli Egyetem Fizikai Karának professzora a következőket mondta: „A félvezetőket pozitív vagy negatív töltések vezetésére is lehet készíteni, és ezért úgy tervezhetők, hogy modulálják és manipulálják az áramot. Ezek a félvezető eszközök azonban nem állnak meg a szilíciumnál, sok más létezik, köztük a gallium-nitrid (például kék LED-ekben). Ezek a félvezető eszközök, amelyek például a tápvezetékből származó váltakozó áramot egyenárammá alakítják, energiaveszteséget okoznak hulladékhőként – nézze meg például a laptopját, az elektromos tégla felmelegszik vagy akár fel is melegszik. Ha javítani tudjuk a hatékonyságot és csökkenteni tudjuk ezt a hulladékhőt, energiát takarítunk meg.
„Az ember feszültséget ad egy elektronikus eszközre, és ennek eredményeként kimeneti áramot használnak az alkalmazásban. Ennek az elektronikus eszköznek a belsejében egy elektromos mező található, amely meghatározza, hogy az eszköz hogyan működik, meddig lesz működőképes, és mennyire jó a működése. Senki sem tudta megmérni ezt az elektromos mezőt, amely annyira alapvető az eszköz működéséhez. Az ember mindig a szimulációra támaszkodott, amiben nehéz megbízni, hacsak nem tudja ténylegesen tesztelni a pontosságát.”
Ahhoz, hogy ezekből az új anyagokból jó teljesítményű és hosszú élettartamú elektronikai eszközöket állítsanak elő, fontos, hogy a kutatók megtalálják az optimális kialakítást, ahol az elektromos mezők nem haladják meg azt a kritikus értéket, amely ezek leromlását vagy meghibásodását eredményezné. A szakértők azt tervezik, hogy újonnan megjelenő anyagokat, például gallium-nitridet és gallium-oxidot használnak a szilícium helyett, lehetővé téve a nagyobb frekvencián és magasabb feszültségen való működést, így új áramkörök is lehetségesek, amelyek csökkentik az energiaveszteséget. A Bristoli Egyetem csoportja által közzétett munka optikai eszközt biztosít az elektromos tér közvetlen mérésére ezekben az új eszközökben. Ez alátámasztja a jövőbeni hatékony teljesítményelektronikát olyan alkalmazásokban, mint a nemzeti hálózatba táplált nap- vagy szélturbina állomások, elektromos autók, vonatok és repülőgépek. A csökkentett energiaveszteség azt jelenti, hogy a társadalmaknak eleve nem kell annyi energiát termelniük.
Kuball professzor a következőket mondta: „Tekintettel arra, hogy ezeket az eszközöket magasabb feszültségen üzemeltetik, ez azt is jelenti, hogy az elektromos mezők nagyobbak az eszközökben, és ez azt jelenti, hogy könnyebben meghibásodhatnak. Az általunk kifejlesztett új technika lehetővé teszi az eszközökön belüli elektromos mezők számszerűsítését, lehetővé téve az eszközszimulációk pontos kalibrálását, amelyek viszont úgy tervezik az elektronikus eszközöket, hogy az elektromos mezők ne lépjék túl a kritikus határokat és ne hibásodjanak meg.
Kuball professzor és csapata azt tervezi, hogy a kulcsfontosságú ipari érdekelt felekkel együttműködve alkalmazzák a technikát eszközeik technológiájának fejlesztésére. Tudományos kontextusban együttműködnek a 12 millió dolláros amerikai Energiaügyi Minisztérium (DOE) ULTRA központjában lévő partnerekkel, hogy ezzel a technikával valóra váltsák az ultraszéles sávszélességű készüléktechnológiát, ami több mint energiamegtakarítást tesz lehetővé. 10%-a az egész világon.
„Ez a fejlesztés segíti az Egyesült Királyságot és a világot energiatakarékos félvezető eszközök fejlesztésében, ami egy lépés a szén-dioxid-semleges társadalom felé” – tette hozzá.
A technikát az Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) projekt részeként fejlesztették ki.
Hivatkozás: „Széles sávú félvezető eszközök elektromos tértérképezése szubmikrométeres felbontásban”, Yuke Cao, James W. Pomeroy, Michael J. Uren, Feiyuan Yang és Martin Kuball, 21. június 2021. Természeti elektronika.
DOI: 10.1038/s41928-021-00599-5
