量化半导体器件中的电场:示意图显示了GaN晶体管沟道中的电场分布；激光束突出了该技术的二次谐波产生(SHG)特性。功劳:柯宇曹布里斯托尔大学的研究人员发现了一种方法，这种方法可以使通讯系统更快，电子设备更节能。这一突破是通过首次建立如何远程测量半导体器件内部的电场而实现的。半导体是一种材料，如硅，可用于电子设备中控制电流。
现在，在今天发表在《自然电子》杂志上的这项新研究中，科学家们概述了如何精确量化这种电场，这意味着可以开发出下一代电力和射频电子设备，它们有可能更快、更可靠、更节能。
半导体器件设计可以是反复试验，尽管更常见的是基于器件模拟，然后为实际应用中的半导体器件制造提供基础。当这些是新兴的半导体材料时，通常不知道这些模拟实际上有多准确和正确。
布里斯托尔大学物理学院的马丁·库贝尔教授说:“半导体可以带正电荷或负电荷，因此不能用来调制和操纵电流。然而，这些半导体器件并不仅限于硅，还有许多其他器件，包括氮化镓(例如用于蓝色发光二极管)。例如，这些半导体器件将电源线上的交流电流转换成DC电流，导致能量损失，成为废热——比如，看看你的笔记本电脑，电源砖正在变暖甚至变热。如果我们能提高效率，减少废热，我们将节约能源。
“人们向电子设备施加电压，结果在应用中使用输出电流。在这个电子设备内部有一个电场，它决定了这个设备如何工作，运行多长时间，运行得有多好。实际上没有人能测量这个电场，它对设备的运行至关重要。人们总是依赖难以信任的模拟，除非你能真正测试它的准确性。”
为了用这些新材料制造高性能和长寿命的电子器件，重要的是研究人员要找到最佳设计，使电场不超过导致其退化或失效的临界值。专家计划使用新出现的材料，如氮化镓和氧化镓，而不是硅，分别允许在更高的频率和更高的电压下工作，这样新的电路就有可能减少能量损失。布里斯托尔大学小组发表的这项工作将提供一种光学工具，能够直接测量这些新设备中的电场。这将支撑未来高效电力电子技术的应用，如大型风力发电站、国家电网、电动汽车、火车和飞机。减少能源损耗意味着社会不需要首先生产那么多的能源。
Kuball教授说:“考虑到这些器件在更高的电压下工作，这也意味着器件中的电场更高，这反过来意味着它们可能更容易发生故障。我们开发的新技术使我们能够量化器件内的电场，从而能够精确校准器件模拟，进而设计电子器件，使电场不会超过临界极限而失效。”
库巴尔教授和他的团队计划与关键的工业股东合作，应用该技术来推进他们的设备技术。在学术背景下，他们将与他们合作的价值1200万美元的美国能源部(DOE) ULTRA中心的合作伙伴合作，利用这一技术使超宽带隙器件技术成为现实，从而在全球范围内节省超过10%的能源。
他补充说:“这一发展有助于英国和世界发展节能半导体器件，这是迈向碳中和社会的一步。
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