673886040@qq.com
Прорыв в энергосберегающей электронике - проложив путь к углеродно-нейтральному обществу
Исследователи из Бристольского университета открыли метод, который позволит создавать более быстрые системы связи и улучшать энергосберегающую электронику.
Прорыв был сделан в том, что впервые было установлено, как дистанционно измерять электрическое поле внутри полупроводникового прибора. Полупроводник - это такой материал, как кремний, который можно использовать в электронных устройствах для управления электрическим током.
Теперь, в этом новом исследовании, опубликованном 21 июня 2021 года в журнале Nature Electronics, ученые обрисовывают в общих чертах, как точно определить это электрическое поле, а это означает, что могут быть разработаны силовые и радиочастотные электронные устройства следующего поколения, которые потенциально могут быть быстрее, и более надежный, а также более энергоэффективный.
Разработка полупроводниковых устройств может быть методом проб и ошибок, хотя чаще всего это основано на моделировании устройства, которое затем обеспечивает основу для производства полупроводниковых устройств для реальных приложений. Когда речь идет о новых и появляющихся полупроводниковых материалах, часто было неизвестно, насколько точны и правильны эти модели.
Профессор Мартин Кубалл из школы физики Бристольского университета сказал: «Полупроводники могут проводить как положительные, так и отрицательные заряды и, следовательно, могут быть разработаны для модуляции и управления током. Однако эти полупроводниковые устройства не ограничиваются кремнием, существует множество других, включая нитрид галлия (используемый, например, в синих светодиодах). Эти полупроводниковые устройства, которые, например, преобразуют переменный ток из линии электропередачи в постоянный ток, приводят к потере энергии в виде отработанного тепла - посмотрите, например, на свой ноутбук: блок питания нагревается или даже нагревается. Если мы сможем повысить эффективность и уменьшить количество отходящего тепла, мы сэкономим энергию.
«К электронному устройству подают напряжение, и в результате в приложении используется выходной ток. Внутри этого электронного устройства находится электрическое поле, которое определяет, как это устройство работает, как долго оно будет работать и насколько хорошо оно работает. Никто не мог измерить это электрическое поле, столь важное для работы устройства. Всегда полагались на моделирование, которому трудно доверять, если вы не можете проверить его точность ».
Чтобы сделать электронные устройства с хорошими характеристиками и долговечностью из этих новых материалов, важно, чтобы исследователи нашли оптимальную конструкцию, в которой электрические поля не превышают критического значения, что может привести к их деградации или отказу. Эксперты планируют использовать новые материалы, такие как нитрид галлия и оксид галлия, а не кремний, что позволит работать на более высокой частоте и при более высоких напряжениях соответственно, так что возможны новые схемы, которые уменьшают потери энергии. Эта работа, опубликованная группой Бристольского университета, предоставит оптический инструмент для прямого измерения электрического поля в этих новых устройствах. Это станет основой будущей эффективной силовой электроники в таких приложениях, как солнечные или ветряные электростанции, питающие национальную сеть, электрические автомобили, поезда и самолеты. Снижение потерь энергии означает, что обществу вообще не нужно производить столько энергии.
Профессор Кубалл сказал: «Учитывая, что эти устройства работают при более высоком напряжении, это также означает, что электрические поля в устройствах выше, а это, в свою очередь, означает, что они могут легко выйти из строя. Новый метод, который мы разработали, позволяет нам количественно определять электрические поля внутри устройств, обеспечивая точную калибровку имитаций устройств, которые, в свою очередь, проектируют электронные устройства таким образом, чтобы электрические поля не превышали критических пределов и не выходили из строя ».
Профессор Кубалл и его команда планируют работать с ключевыми заинтересованными сторонами в отрасли, чтобы применить эту технику для развития своих устройств. В академическом контексте они будут взаимодействовать с партнерами в рамках ULTRA-центра Министерства энергетики США (DOE) стоимостью 12 млн долларов, в котором они работают, чтобы использовать эту технику, чтобы сделать реальностью технологию сверхширокополосных устройств, позволяющую экономить энергию сверх 10% по всему миру.
«Эта разработка помогает Великобритании и всему миру разрабатывать энергосберегающие полупроводниковые устройства, что является шагом к углеродно-нейтральному обществу», - добавил он.
Этот метод был разработан в рамках проекта Совета по исследованиям в области инженерных и физических наук (EPSRC).
Ссылка: «Картирование электрического поля полупроводниковых устройств с широкой запрещенной зоной с субмикрометровым разрешением» Юке Цао, Джеймс У. Померой, Майкл Дж. Урен, Фейюань Янг и Мартин Кубалл, 21 июня 2021 г., Nature Electronics.
