Пьезоэлектрики подтолкнут развитие отрасли маломощной электроники

Схематическое изображение пьезоэлектрического преобразователя напряжения, созданного американскими учеными. (кликните картинку для увеличения)

Схематическое изображение пьезоэлектрического преобразователя напряжения, созданного американскими учеными. (кликните картинку для увеличения)

10.11.2014 (5:10)
Просмотров: 1633
Рейтинг: 2.00
Голосов: 1

Теги:
пьезоэлектрик, транзистор,
Технология >> Нанотехнология






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Для снижения энергопотребления у современной электроники есть фундаментальное препятствие: хоть обычные провода могут работать при минимальном напряжении (порядка милливольт), есть ограничение на напряжение, при котором переключается транзистор – около половины вольта. Это требование приводит к огромным потерям мощности. Но недавно разработанный американскими учеными пьезоэлектрический преобразователь, который может хорошо вписаться в конструкцию транзистора, обещает экономию передаваемой между электронными компонентами энергии благодаря повышению напряжения только на тех участках схемы, где это необходимо (к примеру, на тех же транзисторах).

Около 80% мощности на микросхеме тратится на нагрев соединительных проводов из-за того, что для переключения транзисторов на них приходится подавать сравнительно большое напряжение. Поэтому множество научных групп сосредоточилось на том, как создать переключатель, требующий меньшей энергии. Однако группа исследователей из США предложила обратный подход – преобразовать напряжение непосредственно перед компонентом.

Ранее уже высказывалась идея использовать повышающие напряжение преобразователи перед транзисторами. Правда, сложность заключалась в том, что существующие варианты преобразователей (пьезоэлектрический и емкостной) были слишком велики, чтобы уместиться внутри одного транзистора, и не совместимы с постоянным током, необходимым для работы устройства. Связано это с тем, что преобразователи (трансформаторы) в основном используют один из двух подходов. Первый подразумевает преобразование энергии из одной формы в другую, чтобы достичь повышения напряжения. В частности, традиционные трансформаторы используют проволочные катушки для преобразования энергии электрического поля в энергию магнитного (и наоборот), что приводит к слишком большим габаритным размерам, не позволяющим установить такой преобразователь внутрь транзистора. Другой подход подразумевает зарядку нескольких параллельно соединенных конденсаторов, а затем их разрядку в рамках последовательного соединения. Проблема этого подхода в том, что перемонтаж между параллельным и последовательным соединением требует установки большого количества переключателей, не имеющих смысла для конечной схемы.

Группа исследователей собрала преимущества обоих подходов в одном компоненте, предложив новое пьезоэлектрическое преобразующее устройство. Они использовали несколько слоев пьезоэлектрика, которые под действием внешнего напряжения расширяются, а затем сжимают один из слоев так, что он обеспечивает передачу во вне более высокого напряжения.

Пьезоэлектрические преобразователи существуют с 1950-х годов. В этих устройствах переменный ток, подаваемый на пьезоэлектрический материал, генерирует звуковую волну, которая может быть впоследствии преобразована опять в электрическое поле. Однако это довольно крупные устройства, сфера применения которых ограничена сетями переменного тока. Вместо полного повторения этого устройства исследователи использовали лишь пьезоэлектрический эффект, который впоследствии усилили. Моделирование разработанного ими трансформатора постоянного тока обещает повышение напряжения в 150 раз, что вполне обеспечит необходимую разницу между напряжением на проводах и на транзисторах внутри чипа. Благодаря размещению нескольких слоев пьезоэлектрика внутри одного устройства ученые добились суммирования их действия (по принципу соединения емкостей).

В опубликованной работе исследователи подчеркивают, что проведенное ими моделирование говорит о работоспособности принципа. Теперь же задача состоит в том, чтобы получить сходный эффект на реальном устройстве. Это значит, что необходимо найти подходящие материалы с большими пьезоэлектрическими коэффициентами. Кроме того, устройство теряет часть энергии за счет взаимодействия с опорной конструкцией. Эти потери также необходимо уменьшить.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное





Rambler's Top100