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开辟高圆活二极管 将微波转化为电能

二极管

  日本科学技术厅(JST),富士通有限公司和东京城市大学宣布,他们开发了一种高灵敏度的整流元件,其形式为纳米线反向二极管,可以将低功率微波转换为电能。通过JST的战略基础研究计划,该技术由富士通有限公司的川口健一和东京都大学的Su原道彦教授领导的研究人员开发。这项新技术有望在从环境无线电波中收集能量的过程中发挥作用,在环境无线电波中,电力是从周围的无线电波中产生的,例如从移动电话基站发出的无线电波。

开辟高圆活二极管 将微波转化为电能

  为了为真正的物联网时代的开始做准备,近年来,能量收集技术将周围环境中的微小能量转化为电能,这种能量收集技术已经成为人们关注的一种无需电池即可运行的传感器网络的手段。一个这样的示例将在移动空间中从移动电话基站发出的低功率无线电波(微波)重新用作电力,用于通信。用于从环境无线电波发电的设备包括无线电波发电元件,其包括用于收集无线电波的天线和对无线电波进行整流的整流元件(二极管)。

  二极管对微波的响应度(灵敏度)在很大程度上取决于整流特性的陡度和二极管的尺寸(容量)。通常,利用在金属和半导体之间形成的结处发生的整流的肖特基* 1势垒二极管被用作用于功率转换的二极管。但是,由于在极低的电压下整流特性会变慢,并且元件的尺寸大于几微米(m),因此对弱于微瓦(W)的低功率微波的灵敏度不足,并且难以转换环境无线电波变成电力。这导致对具有更高灵敏度的二极管的需求。

  研究人员进行了开发,以制造出具有更高灵敏度的二极管。具体而言,由于通过结合两种不同类型的半导体来进行整流,并且电流具有与传统原理不同的原理(隧道效应),因此它们缩小了反向二极管* 2的容量并使其能够小型化,该反向二极管* 2能够以零偏压* 3进行陡峭的整流操作。肖特基势垒二极管。

  通过经由蚀刻将层状化合物半导体的薄膜加工成盘状来形成传统的后向二极管。但是,由于材料在加工过程中容易损坏,因此很难将二极管精细加工至亚微米尺寸并进行操作。

  通过调节所连接的半导体材料的组成元素的比例(组成),以及在微小的程度上调节所添加杂质的密度,研究人员成功地在由n型砷化铟构成的直径150nm的纳米晶体中生长晶体。 (n-InAs)和p型砷化镓锑(p-GaAsSb)用于隧道结结构,这是后向二极管的特性所必需的。此外,在将绝缘材料注入到纳米线周围的过程中以及在金属丝的两端都用金属形成电极膜的过程中,使用了一种不会损坏纳米线的新技术。结果,他们能够形成亚微米级的二极管,这很难用化合物半导体的常规小型化工艺技术来完成,

  在测试目前用于4G LTE和Wi-Fi通信线GHz微波频率的新技术时,其灵敏度为700kV / W,约为传统肖特基势垒二极管的11倍(灵敏度为60KV / W)。因此,该技术可以有效地将100nW级的低功率无线电波转换成电,从而使从移动电话基站发射到环境中的微波转换成比以前大10倍以上的区域(相当于10%可以进行手机通讯的区域)。这导致人们期望它可以用作传感器的电源。

  使用这项技术,可以将功率水平为100纳瓦(nW)的微波转换为电能。展望未来,随着研究小组在增加恒定电压功率控制的同时优化二极管和无线电波收集天线的设计,人们对实现从环境无线电波中收集能量的期望很高。

  1.肖特基势垒二极管:使用通过半导体和金属的结产生的肖特基势垒进行整流的二极管。

  2.后向二极管:与传统的肖特基势垒二极管相反,这些二极管通过隧穿现象工作。即使在常规二极管无法实现充分整流的小电压范围内,它们也能实现出色的整流操作。

  3.零偏压:零电压的情况。随着从环境无线电波中收集能量,需要零偏压操作,因为不能消耗功率来调节工作电压。

  4.纳米线:线状半导体非常薄,以至于其宽度以纳米(nm)为单位进行测量。与其通过自上而下的处理(例如蚀刻),不如通过晶体形成将它们自底向上构建。

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