2024-07-16
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Was fällt Ihnen ein, wenn Sie an Dioden denken? Das kleine blinkende Licht am Ladegerät Ihres Telefons? Infrarot-„Augen“ auf der Vorderseite der Fernbedienung? Dies sind häufige Anwendungen von Dioden im täglichen Leben. Als Grundbestandteil elektronischer Schaltkreise sind Dioden wie ein Einweg-„Gateway“, das den Strom nur in eine Richtung fließen lässt (Gleichrichtung). Diese scheinbar einfache Funktion spielt in unzähligen elektronischen Geräten eine Schlüsselrolle.
Tatsächlich geht das Potenzial von Dioden weit darüber hinaus. Die iGaN Lab-Forschungsgruppe von Professor Sun Haiding von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas und Akademiker Liu Sheng von der Universität Wuhan und seinem Team haben kürzlich eine multifunktionale Fotodiode entwickelt, die die Anwendungsaussichten von Dioden auf ein völlig neues Niveau gehoben hat .
Dieser Artikel erscheint als Titelartikel in Nature Electronics
(Bildquelle: Referenz 1)
Diese neue Multifunktionsdiode,Es kann nicht nur wie eine gewöhnliche Diode gleichrichten, sondern auch wie eine Leuchtdiode (LED) Licht aussenden. Außerdem verfügt es über die Fähigkeit zur fotoelektrischen Erkennung und zu logischen Operationen. Man kann sagen, dass man „drei Fliegen mit einer Klappe schlägt“! Früher war es undenkbar, mehrere Funktionen in einer Diode zu erreichen.
Der Kern dieser „Superdiode“ ist ein PN-Übergang auf Galliumnitridbasis. Wie wir alle wissen, ist der PN-Übergang das „Herz“ der Diode und besteht aus zwei Halbleitern, dem p-Typ und dem n-Typ. Wenn an beide Enden des PN-Übergangs eine Durchlassspannung angelegt wird, treffen Elektronen und Löcher am Übergang aufeinander und „rekombinieren“, wodurch ein Strom erzeugt und der Stromkreis leitend wird.
Wenn bei diesem Rekombinationsprozess Photonen freigesetzt werden, wird der PN-Übergang zu einer Leuchtdiode, die elektrische Energie in Lichtenergie umwandeln kann. Galliumnitrid ist ein Material, das von Natur aus für LEDs geeignet ist.
Drei Farben LEDs
(Bildquelle: Wikipedia)
Galliumnitrid ist ein aufstrebender Halbleiter mit großer Bandlücke. Im Vergleich zu herkömmlichem Silizium und Germanium benötigt es mehr Energie, damit die Elektronen seine Energiebandlücke überwinden können.
Dies bietet Galliumnitrid viele Vorteile:Es hält höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen stand und eignet sich für die Herstellung von Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturgeräten. Seine Bandlückenbreite entspricht der Wellenlänge von blauviolettem bis ultraviolettem Licht, was es zu einem idealen Material für macht Herstellung von LEDs und Lasern mit kurzer Wellenlänge; Es können Verbindungen mit einstellbaren Energiebändern mit einer Vielzahl von Elementen gebildet werden, was die monolithische Integration erleichtert (Integration mehrerer Funktionsgeräte auf demselben Halbleitermaterial, um ein vollständiges System oder Subsystem zu bilden).
Mit diesen einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften glänzt Galliumnitrid in den Bereichen Beleuchtung, Anzeige, Kommunikation, Leistungselektronik und anderen Bereichen und gilt als „Star“ der Halbleiter der dritten Generation.
Diesmal nahmen die Forscher eine scheinbar kleine Änderung auf Basis von Galliumnitrid-LEDs vor: Sie fügten eine unabhängig steuerbare dritte Elektrode über dem p-Typ-Bereich des PN-Übergangs hinzu. Es ist dieses exquisite Design, das Dioden mehr Raum für Fantasie gibt.
Schematische Darstellung einer neuen Diode
(Bildquelle: Referenz 1)
Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen und Regulieren des Kontakts zwischen der Elektrode und dem p-Bereich kann die Trägerkonzentration im PN-Übergangsbereich gesteuert werden, wodurch die Lichtintensität und die Erkennungsempfindlichkeit des Geräts angepasst werden. Noch besser ist, dass die beiden Steuersignale auch den Eingang eines Logikgatters simulieren können, sodass die Diode auch logische Operationen ausführen kann.
Nachdem sie das gesehen haben, werden viele Leser vielleicht verwirrt sein und zurückschrecken. Keine Sorge, wir „übersetzen“ die oben genannten Wörter für Sie in eine Sprache, die jeder verstehen kann.
Bei herkömmlichen Galliumnitrid-LEDs gleicht der PN-Übergang einem „Zwei-Personen-Stadium“, in dem sich Elektronen im n-Bereich und Löcher im p-Bereich treffen und rekombinieren, wobei gleichzeitig Photonen freigesetzt werden, die makroskopisch als helles Licht erscheinen.
Der Rhythmus dieses „Tanzes“ wird hauptsächlich durch die am PN-Übergang angelegte Spannung gesteuert. Je höher die Spannung, desto schneller „tanzen“ die Elektronen und Löcher und desto größer ist die Intensität der Lichtemission. Doch außer der Helligkeitsregulierung scheint diese „Stufe“ keine weiteren Funktionen zu haben.
Das innovative Design chinesischer Wissenschaftler hat dieser „Bühne“ neue Möglichkeiten verliehen. Sie fügten eine unabhängige dritte Elektrode über der p-Region hinzu. Diese Elektrode kann wie ein „Bühnenmanager“ den „Tänzern“ zusätzliche Kontrolle bieten, ohne die „Leistung“ des PN-Knotens zu beeinträchtigen.
Wenn an die dritte Elektrode eine negative Spannung angelegt wird, wirkt sie insbesondere wie ein „Staubsauger“, der Löcher in der Nähe des p-Bereichs anziehen kann. Das Verschwinden von Löchern führt, ebenso wie es weniger „Tänzer“ auf der Bühne gibt, dazu, dass die Lochkonzentration im gesamten p-Bereich abnimmt.
Was Löcher betrifft, da sie die Mehrheitsträger im p-Bereich sind, werden Änderungen in ihrer Konzentration die elektrischen Eigenschaften des PN-Übergangs erheblich beeinflussen. Die Abnahme der Lochkonzentration bedeutet, dass die Leitfähigkeit des p-Bereichs schlechter wird, der Widerstand des PN-Übergangs zunimmt, die Wahrscheinlichkeit des „Treffens“ von Elektronen und Löchern abnimmt und die Lichtintensität schwächer wird. Wenn dagegen eine positive Spannung an die dritte Elektrode angelegt wird, werden mehr Löcher in den p-Bereich verschoben, wodurch die Lumineszenz des PN-Übergangs verstärkt wird.
Obwohl der Effekt der Einstellung der dritten Elektrode dem der Einstellung der Gesamtspannung ähnelt, ist der Steuereffekt präziser und der Energieverlust geringer.
Das ist noch nicht alles, die Hinzufügung der dritten Elektrode eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten in der fotoelektrischen Erkennung. Wenn die Diode in Sperrrichtung arbeitet, kann das elektrische Feld im PN-Übergang die fotogenerierten Elektron-Loch-Paare trennen, Fotostrom erzeugen und die Erkennung optischer Signale ermöglichen. Die dritte Elektrode kann die Intensität des eingebauten elektrischen Feldes des PN-Übergangs ändern, indem sie die Lochkonzentration im p-Bereich anpasst und dadurch die Größe des Photostroms beeinflusst. Dies entspricht einem „Zoomobjektiv“, das die fotoelektrische Reaktionsempfindlichkeit der Diode nach Bedarf anpassen kann.
Noch erstaunlicher ist, dass dieses Gerät tatsächlich logische Operationen simulieren kann, wenn man die dritte Elektrode und den PN-Übergang als Ganzes betrachtet! Stellen Sie sich vor, dass wir uns die am PN-Übergang angelegte Spannung als ein Eingangssignal, die Spannung der dritten Elektrode als weiteres Eingangssignal und den Stromausgang der Diode als logisches Ergebnis vorstellen können.
Durch geschicktes Design der Schaltung und Anpassen der hohen und niedrigen Pegel der beiden Eingangssignale kann die Diode dazu gebracht werden, grundlegende logische Operationen wie „UND“, „ODER“ und „NICHT“ auszuführen. Das kommt der Aufwertung einer einfachen „Bühne“ in ein multifunktionales „Studiozentrum“ gleich!
Natürlich müssen noch viele Herausforderungen bewältigt werden, bevor diese Technologie angewendet werden kann, beispielsweise die weitere Optimierung der Geräteleistung und die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Konsistenz des Herstellungsprozesses. Aber es besteht kein Zweifel daran, dass das Aufkommen dieser multifunktionalen Galliumnitriddiode darauf hindeutet, dass eine aufregendere optoelektronische Welt still und leise auf uns zukommt.
In dieser Welt sind Lichtemission, Erkennung und Berechnung nicht mehr getrennt, sondern perfekt integriert und eng in einem Gerät koordiniert. Wir haben Grund zu der Annahme, dass dieses bahnbrechende Forschungsergebnis in Zukunft definitiv revolutionäre Veränderungen in den Bereichen Beleuchtung, Anzeige, Kommunikation, Computer und anderen Bereichen mit sich bringen wird.
Ein Gerät, mehrere Funktionen. Dies ist nicht nur eine technologische Innovation, sondern stellt auch eine neue Denkweise dar. Die „Drei-in-eins“-Galliumnitriddiode zeigt uns, dass ein scheinbar gewöhnliches Gerät mit cleverem Design und grenzüberschreitender Integration auch außergewöhnliches Potenzial freisetzen kann. Dies verdeutlicht uns auch, dass es in der wissenschaftlichen Forschung oder in anderen Bereichen immer unerwartete Überraschungen mit sich bringen kann, wenn man die inhärenten Grenzen überschreitet und mutig genug ist, Pionierarbeit zu leisten und Innovationen voranzutreiben.
Verweise:
Produziert von: Popular Science China
Autor: Guo Fei (Yantai-Universität)
Produzent: China Popular Science Expo
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