Британские исследователи говорят, что они могут дистанционно измерять электрическое поле внутри полупроводникового устройства. Потери энергии являются серьезной проблемой для эффективной силовой электроники в таких приложениях, как солнечные или ветряные турбины, которые питаются от национальной сети, электрические автомобили, поезда и самолеты.
Электрические поля приводят к деградации полупроводниковых устройств с широкой запрещенной зоной, и их прямое отображение внутри активной области устройства остается сложной задачей. Но снижение потерь энергии – если бы это было возможно – означает, что обществу вообще не нужно производить столько энергии. Учеными из Университета Бристоля – «школы физики, – недавно был предложен новый способ количественной оценки этого электрического поля абсолютно точно. Они сделали это, впервые поняв, как дистанционно измерять электрическое поле внутри полупроводникового устройства.
Полупроводник – это такой материал, как кремний, который можно использовать в электронных устройствах для управления электрическим током. Согласно исследованию, проведенному в Nature Electronics, ученые теперь могут точно измерить это электрическое поле, а это означает, что могут быть разработаны электрические и радиочастотные электронные устройства следующего поколения, которые могут быть более быстрыми, надежными и энергоэффективными.
Разработка полупроводниковых устройств идет, как правило, 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 неизвестно, насколько точны и правильны эти модели. «Полупроводники могут проводить как положительные, так и отрицательные заряды и, следовательно, могут быть разработаны для модуляции и управления током», – сказал профессор Мартин Кубалл из Бристольского университета, – «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, силовой блок нагревается или даже нагревается. Если мы сможем повысить эффективность и уменьшить количество отходящего тепла, мы сэкономим энергию. К электронному устройству прикладывают 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, частое достижение которого может привести к деградации или отказу элементов. 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 уменьшат потери энергии.
Эта работа группы Бристольского университета разработала оптический инструмент для прямого измерения электрического поля в этих новых устройствах. «Учитывая, что эти устройства работают при более высоких напряжениях, это также означает, что электрические поля в устройствах выше, и это, в свою очередь, означает, что они могут легко выйти из строя», – сказал профессор Кубалл, – «Новый метод, который мы разработали, позволяет нам количественно определять электрические поля внутри устройств, позволяя точно калибровать модели устройств, которые, в свою очередь, проектируют электронные устройства так, чтобы электрические поля не превышали критических пределов и не выходили из строя элементы»
В академическом контексте профессор Кубалл и его команда будут взаимодействовать с партнерами в центре ULTRA Министерства энергетики США, в котором они работают, чтобы использовать этот метод, чтобы сделать реальностью технологию сверхширокополосных устройств, позволяющую значительно сэкономить энергию – на 10% по всему миру. «Эта разработка поможет Великобритании и всему миру разрабатывать энергосберегающие полупроводниковые устройства, что является шагом к углеродно-нейтральному обществу», – добавил профессор Кубалл.
DAVE MAKICHUK
