Scopul de a crea rețele de senzori care nu necesită surse de alimentare dedicate

Agenția de Știință și Tehnologie din Japonia (JST), Fujitsu Limited și Universitatea Metropolitană din Tokyo au anunțat că au dezvoltat un element de rectificare extrem de sensibil sub forma unei diode înapoi în nanofir, care poate converti microundele de mică putere în electricitate. Prin programele strategice de cercetare de bază ale JST, tehnologia a fost dezvoltată de cercetători conduși de Kenichi Kawaguchi de la Fujitsu Limited și profesorul Michihiko Suhara de la Tokyo Metropolitan University. Se așteaptă ca noua tehnologie să joace un rol în recoltarea energiei din undele radio din mediu, în care energia electrică este generată din undele radio ambientale, cum ar fi cele emise de stațiile de bază ale telefoanelor mobile.

transformă

Contextul și circumstanțele cercetării

În pregătirea pentru începerea adevăratei ere IoT, tehnologiile de recoltare a energiei, care transformă sursele minuscule de energie în mediul înconjurător în electricitate, au intrat în centrul atenției în ultimii ani ca mijloace pentru crearea de rețele de senzori care funcționează fără baterii. Un astfel de exemplu reutilizează, ca electricitate, undele radio de mică putere (microunde), omniprezente în spații deschise, care sunt emise de la stațiile de bază ale telefonului mobil, pentru utilizare în comunicații. Echipamentul utilizat pentru generarea de energie electrică din undele radio ambientale constă dintr-un element generator de energie a undelor radio, care include o antenă pentru colectarea undelor radio și un element de redresare (diodă) care rectifică undele radio.

Răspunsul (sensibilitatea) unei diode la microunde depinde în mare măsură de abruptitatea caracteristicilor de rectificare și de dimensiunea diodei (capacitatea). În general, diodele de barieră Schottky * 1, care utilizează rectificarea care se produce la joncțiunea formată între un metal și un semiconductor, sunt utilizate ca diode pentru conversia puterii. Datorită caracteristicilor de rectificare care devin lente la tensiuni extrem de scăzute și dimensiunea elementelor fiind mai mare de câțiva micrometri (μm), totuși, sensibilitatea la microundele de putere redusă mai slabă decât microwattii (μW) a fost insuficientă și a fost dificil de convertit undele radio ambientale în electricitate. Acest lucru a dus la o cerere de diode cu sensibilitate crescută.

Detalii de cercetare

Cercetătorii au realizat dezvoltarea pentru a crea o diodă cu sensibilitate mai mare. În mod specific, au micșorat capacitatea și a miniaturizat o diodă înapoi * 2 care este capabilă de operații de rectificare abrupte cu polarizare zero * 3, deoarece rectificarea are loc prin asocierea a două tipuri diferite de semiconductori și fluxuri de curent cu un principiu diferit (efectul tunel) decât cel convențional Diodele de barieră Schottky.

Diodele înapoi convenționale s-au format prin procesarea peliculei subțiri a unui semiconductor compus stratificat într-o formă de disc prin gravare. Cu toate acestea, deoarece materialele sunt predispuse la deteriorări în timpul procesării, a fost dificil să prelucrați fin diodele la o dimensiune submicronică și să le operați.

Prin ajustarea raportului (compoziției) elementelor constitutive ale materialelor semiconductoare conectate și, la un nivel mic, a densității impurităților adăugate, cercetătorii au reușit să crească cristale în nanocristale cu un diametru de 150 nm format din arsenură de indiu de tip n (n-InAs) și antimonidă de arsenidă de galiu de tip p (p-GaAsSb) pentru o structură de joncțiune a tunelului necesară pentru caracteristicile diodei înapoi. Mai mult, în procesul de implantare a materialului izolator în jurul nanofirului * 4 și procesul de formare a peliculei de electrozi cu metal la ambele capete ale firului, a fost utilizată o nouă tehnologie pentru montare care nu deteriorează nanofirul. Ca rezultat, au reușit să formeze o diodă sub-micronică, care a fost dificil de făcut cu tehnologia convențională a procesului de miniaturizare pentru semiconductori compuși, și a reușit astfel, pentru prima dată în lume, să dezvolte o diodă înapoi cu nanofir cu peste De 10 ori sensibilitatea diodelor de barieră Schottky convenționale.

La testarea noii tehnologii în frecvența cu microunde de 2,4 GHz, care este utilizată în prezent în standardele de comunicații 4G LTE și Wi-Fi pentru telefoanele mobile, sensibilitatea a fost de 700kV/W, de aproximativ 11 ori mai mare decât dioda convențională de barieră Schottky ( cu o sensibilitate de 60KV/W). Prin urmare, tehnologia poate converti în mod eficient unde radio de putere redusă de clasă 100nW în energie electrică, permițând conversia microundelor emise în mediu de la stațiile de bază ale telefonului mobil într-o zonă care este de peste 10 ori mai mare decât era posibil anterior (corespunzând la 10% din zona în care sunt posibile comunicațiile prin telefon mobil). Acest lucru a condus la așteptările că acesta poate fi utilizat ca sursă de energie pentru senzori.

Cu această tehnologie, microundele cu un nivel de putere de 100 nanowatti (nW) pot fi convertite în energie electrică. În viitor, întrucât grupul de cercetare optimizează proiectarea diodei și a antenei de colectare a undelor radio, adăugând în același timp controlul puterii pentru o tensiune constantă, există așteptări mari pentru realizarea recoltării de energie din undele radio de mediu.

Note

1. Diodă de barieră Schottky: Diodele care utilizează energia cunoscută sub numele de barieră Schottky, care este produsă printr-o joncțiune a unui semiconductor și a unui metal, pentru rectificare.

2. Diodele înapoi: spre deosebire de diodele convenționale de barieră Schottky, aceste diode funcționează prin utilizarea fenomenului de tunelare. Acestea permit operațiuni de rectificare excelente chiar și în limite mici de tensiune în care diodele convenționale nu sunt în măsură să realizeze suficientă rectificare.

3. Zero bias: O stare în care există tensiune zero. Odată cu recoltarea energiei din undele radio de mediu, sunt necesare operații de polarizare zero, deoarece puterea nu poate fi consumată pentru ajustarea tensiunii de funcționare.

4. Nanowire: semiconductorii în formă de sârmă sunt subțiri, astfel încât lățimea lor este măsurată în nanometri (nm). Mai degrabă decât prin prelucrarea de sus în jos, cum ar fi gravarea, acestea pot fi construite de jos în sus prin formarea cristalelor.