Az áttörést azzal érték el, hogy megállapították, hogyan lehet távolról mérni az elektromos mezőt egy félvezető eszköz belsejében. A Nature Electronics című folyóiratban megjelent új tanulmányban a tudósok felvázolják, hogyan lehet pontosan meghatározni ezt az elektromos mezőt, ami azt jelenti, hogy olyan új generációs teljesítmény- és rádiófrekvenciás elektronikai eszközöket lehet kifejleszteni, amelyek gyorsabbak, megbízhatóbbak és energiatakarékosabbak lehetnek.
A félvezető eszközök tervezése történhet próbálgatással, de gyakrabban eszközszimuláció segítségével, amely képes a valós alkalmazásokhoz szükséges félvezető eszközök gyártását is megalapozni. De ha új és feltörekvő félvezető anyagokról van szó, gyakran nem tudni, hogy ezek a szimulációk valójában mennyire pontosak és helyesek.
Martin Kuball professzor elmondta: "A félvezetők képesek pozitív vagy negatív töltéseket vezetni, és ezért úgy tervezhetők, hogy az áramot modulálják és manipulálják. Ezek a félvezető eszközök azonban nem érnek véget a szilíciummal, sok más félvezető is létezik, köztük a gallium-nitrid (amelyet például a kék LED-ekben használnak). Ezek a félvezető eszközök, amelyek például a hálózati vezetékből származó váltakozó áramot egyenárammá alakítják, energiaveszteséget eredményeznek hulladékhő formájában. Ha megnézzük például a laptopunkat, a tápegység felmelegszik, sőt akár fel is forrósodik. Ha tudnánk javítani a hatékonyságot és csökkenteni ezt a hulladékhőt, energiát takarítanánk meg.
"Az ember feszültséget kapcsol egy elektronikus eszközre, és ennek eredményeképpen az alkalmazásban használt kimeneti áram keletkezik. Ennek az elektronikus eszköznek a belsejében van egy elektromos mező, amely meghatározza, hogy ez az eszköz hogyan működik, mennyi ideig lesz működőképes, és mennyire jó a működése. Senki sem tudta ténylegesen megmérni ezt az elektromos mezőt, amely annyira alapvető az eszköz működéséhez. Mindig is a szimulációra támaszkodtak, amiben nehéz megbízni, hacsak nem lehet ténylegesen tesztelni a pontosságát" - fejtette ki a kutató.
Ahhoz, hogy ezekből az új anyagokból jó teljesítményű és hosszú élettartamú elektronikus eszközöket lehessen készíteni, fontos, hogy a kutatók megtalálják az optimális kialakítást, ahol az elektromos mezők nem lépik túl a kritikus értéket, ami a károsodásukat vagy meghibásodásukat eredményezné. A szakemberek azt tervezik, hogy a szilícium helyett olyan újonnan megjelenő anyagokat használnak majd, mint a gallium-nitrid és a gallium-oxid, amelyek lehetővé teszik a magasabb frekvencián, illetve nagyobb feszültségen való működést, így olyan új áramkörök jöhetnek létre, amelyek csökkentik az energiaveszteséget.
A Bristoli Egyetem csoportja által közzétett tanulmány olyan optikai eszközt ír le, amely lehetővé teszi az elektromos mező közvetlen mérését ezekben az új eszközökben. Ez megalapozza majd a jövőbeli hatékony teljesítményelektronikát olyan alkalmazásokban, mint az országos hálózathoz kapcsolódó nap- vagy szélerőművek, elektromos autók, vonatok és repülőgépek. A csökkentett energiaveszteség azt jelenti, hogy a társadalmaknak eleve nem kell annyi energiát előállítaniuk.
Kuball professzor kifejtette: "Ez azt is jelenti, hogy az eszközökben nagyobbak az elektromos mezők, emiatt viszont könnyebben meghibásodhatnak. Az általunk kifejlesztett új technika lehetővé teszi az eszközökben lévő elektromos mezők számszerűsítését, amivel az eszközszimulációk pontosan kalibrálhatók. Ezért úgy tervezik meg az elektronikus eszközöket, hogy az elektromos mezők ne lépjék túl a kritikus határértékeket és ne hibásodjanak meg."
