Udvikling af meget følsom diode, omdanner mikrobølger til elektricitet

Det japanske videnskabs- og teknologiagentur (JST), Fujitsu Limited, og Tokyo Metropolitan University annoncerede, at de udviklede et meget følsomt ensretterelement i form af en bagudgående nanotrådsdiode, som kan omdanne laveffekt mikrobølger til elektricitet. Gennem JSTs strategiske grundforskningsprogrammer, teknologien er udviklet af forskere ledet af Kenichi Kawaguchi fra Fujitsu Limited og professor Michihiko Suhara fra Tokyo Metropolitan University. Den nye teknologi forventes at spille en rolle i at høste energi fra radiobølger i miljøet, hvor elektricitet genereres fra omgivende radiobølger, som dem, der udsendes fra mobiltelefonbasestationer.

Forskningsbaggrund og omstændigheder

Som forberedelse til begyndelsen af ​​den sande IoT-æra, energihøstteknologier, som omdanner de små energikilder i det omgivende miljø til elektricitet, er kommet i søgelyset i de senere år som midler til at skabe sensornetværk, der fungerer uden batterier. Et sådant eksempel på genbrug som el-laveffekt radiobølger (mikrobølger), allestedsnærværende i åbne rum, der udsendes fra mobiltelefonbasestationer, til brug i kommunikation. Udstyr, der bruges til at generere elektricitet fra omgivende radiobølger, består af et radiobølgeenergigenererende element, som omfatter en antenne til opsamling af radiobølger og et ensretterelement (diode), der ensretter radiobølgerne (figur 1).

En diodes reaktionsevne (følsomhed) over for mikrobølger afhænger i vid udstrækning af stejlheden af ​​ensretningskarakteristika og af diodes størrelse (kapacitet). Generelt, Schottky barriere dioder, som udnytter ensretningen, der finder sted i forbindelsen mellem et metal og en halvleder, bruges som dioder til strømkonvertering. På grund af ensretningskarakteristika, der bliver langsomme ved ekstremt lave spændinger, og størrelsen af ​​elementer er større end flere mikrometer (μm), imidlertid, følsomhed over for mikrobølger med lav effekt, der var svagere end mikrowatt (μW), var utilstrækkelig, og det var svært at omdanne omgivende radiobølger til elektricitet. Dette førte til en efterspørgsel efter dioder med øget følsomhed.

Forskningsdetaljer

Forskerne udførte udvikling for at skabe en diode med højere følsomhed. Specifikt, de krympede kapaciteten af ​​og miniaturiserede en baglæns diode, der er i stand til stejle ensretningsoperationer med nul bias, da ensretning sker ved at forbinde to forskellige typer halvledere og strømstrømme med et andet princip (tunneleffekt) end konventionelle Schottky-barrieredioder.

Konventionelle bagudgående dioder blev dannet ved at behandle den tynde film af en lagdelt sammensat halvleder til en skiveform via ætsning. Ikke desto mindre, fordi materialerne er tilbøjelige til at blive beskadiget under forarbejdning, det var svært at finbehandle dioder til en submikron størrelse og betjene dem.

Ved at justere forholdet (sammensætningen) af bestanddelene i de forbundne halvledermaterialer og, på minutniveau, tætheden af ​​de tilsatte urenheder, det lykkedes forskerne at dyrke krystaller i nanokrystaller med en diameter på 150 nm bestående af n-type indiumarsenid (n-InAs) og p-type galliumarsenidantimonid (p-GaAsSb) til en tunnelforbindelsesstruktur, der er nødvendig for egenskaberne af den bagudrettede diode .

I øvrigt, i processen til implantering af isoleringsmateriale omkring nanotråden og processen til dannelse af elektrodefilm med metal på begge ender af ledningen, en ny teknologi blev brugt til montering, der ikke beskadiger nanotråden. Som resultat, de var i stand til at danne en diode i sub-mikron størrelse, hvilket var svært at gøre med konventionel miniaturiseringsprocesteknologi til sammensatte halvledere, og derved lykkedes, for første gang, i at udvikle en nanotråd bagud diode med over 10 gange følsomheden af ​​en konventionel Schottky barriere dioder (figur 2).

Ved at teste den nye teknologi i mikrobølgefrekvensen på 2,4 GHz, som i øjeblikket bruges i 4G LTE og Wi-Fi kommunikationslinjestandarder for mobiltelefoner, følsomheden var 700kV/W, omkring 11 gange større end den konventionelle Schottky-barrierediode (med en følsomhed på 60KV/W) (figur 3). Derfor, teknologien kan effektivt konvertere 100nW-klasse laveffekt radiobølger til elektricitet, muliggør konvertering af mikrobølger udsendt til miljøet fra mobiltelefonbasestationer i et område, der er over 10 gange større, end det tidligere var muligt (svarende til 10 % af det område, hvor mobiltelefonkommunikation er mulig). Dette har ført til forventninger om, at det kan bruges som strømkilde til sensorer.

Med denne teknologi, mikrobølger med et effektniveau på 100 nanowatt (nW) kan omdannes til elektricitet. Fremadrettet, da forskergruppen optimerer designet af dioden og den radiobølgeopsamlende antenne og tilføjer effektstyring til konstant spænding, der er store forventninger til realiseringen af ​​energiudvinding fra miljømæssige radiobølger.