Investigadores de la Universidad de Bristol han descubierto un método que permitirá sistemas de comunicación más rápidos y mejores dispositivos electrónicos que ahorran energía.
El avance se logró al medir de forma remota el campo eléctrico dentro de un dispositivo semiconductor por primera vez. Un semiconductor es un material, como el silicio, que se puede utilizar en dispositivos electrónicos para controlar la corriente eléctrica.
Ahora, en este nuevo estudio, publicado en Nature Electronics , los científicos describen cómo cuantificar con precisión este campo eléctrico, lo que significa que se pueden desarrollar dispositivos electrónicos de potencia y radiofrecuencia de próxima generación que tienen el potencial de ser más rápidos y más confiables, así como más eficientes energéticamente.
El diseño de dispositivos semiconductores puede ser de prueba y error, aunque más comúnmente se basa en una simulación de dispositivo que luego proporciona la base para la fabricación de dispositivos semiconductores para aplicaciones de la vida real. Cuando se trata de materiales semiconductores nuevos y emergentes, a menudo se desconoce qué tan precisas y correctas son en realidad estas simulaciones.
El profesor Martin Kuball, de la Facultad de Física de la Universidad de Bristol , dijo: “Se pueden fabricar semiconductores para que conduzcan cargas positivas o negativas y, por lo tanto, se pueden diseñar para modular y manipular la corriente. Sin embargo, estos dispositivos semiconductores no se detienen con el silicio, hay muchos otros, incluido el nitruro de galio (utilizado en los LED azules, por ejemplo). Estos dispositivos semiconductores, que, por ejemplo, convierten una corriente alterna de una línea eléctrica en una corriente continua, dan como resultado una pérdida de energía como calor residual; mire su computadora portátil, por ejemplo, el bloque de alimentación se está calentando. Si pudiéramos mejorar la eficiencia y reducir este calor residual, ahorraremos energía".
“Se aplica voltaje a un dispositivo electrónico y, como resultado, se usa una corriente de salida en la aplicación. Dentro de este dispositivo electrónico hay un campo eléctrico que determina cómo funciona este dispositivo y cuánto tiempo estará operativo y qué tan bueno es su funcionamiento. En realidad, nadie pudo medir este campo eléctrico, tan fundamental para el funcionamiento del dispositivo. Uno siempre confió en la simulación, en la que es difícil confiar a menos que realmente pueda probar su precisión".
Para lograr un buen rendimiento y dispositivos electrónicos duraderos con estos nuevos materiales, es importante que los investigadores encuentren el diseño óptimo, donde los campos eléctricos no excedan el valor crítico que resultaría en su degradación. Los expertos planean utilizar materiales de reciente aparición como el nitruro de galio y el óxido de galio en lugar de silicio, lo que permite el funcionamiento a mayor frecuencia y a voltajes más altos, respectivamente, de modo que sean posibles nuevos circuitos que reduzcan la pérdida de energía.
Este trabajo publicado por el grupo de la Universidad de Bristol proporcionará una herramienta óptica que permitirá la medición directa del campo eléctrico dentro de estos nuevos dispositivos. Esto apoyará la futura electrónica de potencia eficiente en aplicaciones como plantas de turbinas eólicas, de placas solares, coches eléctricos, trenes y aviones.
El profesor Kuball dijo: “Teniendo en cuenta que estos dispositivos funcionan a voltajes más altos, esto también significa que los campos eléctricos en los dispositivos son más altos y esto, a su vez, significa que pueden fallar más fácilmente. La nueva técnica que hemos desarrollado nos permite cuantificar los campos eléctricos dentro de los dispositivos, lo que permite una calibración precisa de las simulaciones del dispositivo que, a su vez, diseñan los dispositivos electrónicos para que los campos eléctricos no superen los límites críticos y fallen”.
La técnica fue desarrollada como parte de un proyecto del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC).
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