2024-07-16
한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina
Mitä tulee mieleen, kun ajattelet diodeja? Se pieni vilkkuva valo puhelimen laturissa? Infrapuna "silmät" kaukosäätimen etuosassa? Nämä ovat yleisiä diodien sovelluksia jokapäiväisessä elämässä. Elektronisten piirien peruskomponenttina diodit ovat kuin yksisuuntainen "yhdyskäytävä", joka sallii virran kulkea vain yhteen suuntaan (tasasuuntaus). Tällä näennäisesti yksinkertaisella toiminnolla on keskeinen rooli lukemattomissa elektronisissa laitteissa.
Itse asiassa diodien potentiaali menee paljon pidemmälle. Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston professori Sun Haidingin ja Wuhanin yliopiston akateemikko Liu Shengin iGaN Lab -tutkimusryhmä ja hänen tiiminsä ovat hiljattain kehittäneet monitoimisen valodiodin, joka on nostanut diodien käyttömahdollisuudet aivan uudelle tasolle. .
Tämä artikkeli näkyy kansiartikkelina Nature Electronicsissa
(Kuvan lähde: Viite 1)
Tämä uusi monitoimidiodi,Se ei ainoastaan pysty tasasuuntaamaan kuten tavallinen diodi, vaan se voi myös lähettää valoa kuten valodiodi (LED). Voidaan sanoa, että "tappaa kolme kärpästä yhdellä iskulla"! Useiden toimintojen saavuttaminen yhdessä diodissa oli aiemmin mahdotonta kuvitella.
Tämän "superdiodin" ydin on galliumnitridipohjainen PN-liitos. Kuten me kaikki tiedämme, PN-liitos on diodin "sydän" ja koostuu kahdesta puolijohteesta, p-tyypin ja n-tyypin puolijohteesta. Kun eteenpäin suunnattu jännite syötetään PN-liitoksen molempiin päihin, elektronit ja reiät kohtaavat liitoksessa ja "yhdistyvät uudelleen" muodostaen siten virran ja tekevät piiristä johtavan.
Jos tämä rekombinaatioprosessi vapauttaa fotoneja, PN-liitoksesta tulee valoa emittoiva diodi, joka voi muuntaa sähköenergian valoenergiaksi. Galliumnitridi on materiaali, joka soveltuu luonnostaan ledeille.
Kolme väriä LED-valoja
(Kuvan lähde: Wikipedia)
Galliumnitridi on nouseva laajakaistainen puolijohde Perinteiseen piiin ja germaniumiin verrattuna se on kuin "iso mies".
Tämä antaa galliumnitridille monia etuja:Se kestää korkeampaa jännitettä, lämpötilaa ja taajuutta, ja se sopii suuritehoisten, korkeataajuisten ja korkean lämpötilan laitteiden valmistukseen, sen kaistan leveys vastaa sinivioletin ja ultraviolettivalon aallonpituutta, joten se on ihanteellinen materiaali lyhyen aallonpituisten LEDien ja lasereiden valmistus Se voi muodostaa yhdisteitä säädettävillä energiakaistalla useiden elementtien kanssa, mikä helpottaa monoliittista integrointia (integroimalla useita toiminnallisia laitteita samaan puolijohdemateriaaliin täydellisen järjestelmän tai alijärjestelmän muodostamiseksi).
Näillä ainutlaatuisilla fysikaalisilla ja kemiallisilla ominaisuuksilla galliumnitridi loistaa valaistuksen, näytön, viestinnän, tehoelektroniikan ja muilla aloilla, ja se tunnetaan kolmannen sukupolven puolijohteiden "tähdenä".
Tällä kertaa tutkijat tekivät näennäisen pienen muutoksen galliumnitridi-LEDeihin perustuen: lisäten itsenäisesti ohjattavan kolmannen elektrodin PN-liitoksen p-tyypin alueen yläpuolelle. Juuri tämä hieno muotoilu antaa diodeille enemmän tilaa mielikuvitukselle.
Uuden diodin kaavio
(Kuvan lähde: Viite 1)
Eri jännitteitä kohdistamalla ja elektrodin ja p-alueen välistä kosketusta säätelemällä voidaan ohjata kantoaallon pitoisuutta PN-liitosalueella ja siten säätää laitteen valon voimakkuutta ja tunnistusherkkyyttä. Vielä parempi, molemmat ohjaussignaalit voivat myös simuloida logiikkaportin tuloa, jolloin diodi voi suorittaa myös loogisia toimintoja.
Tämän nähtyään monet lukijat voivat olla hämmentyneitä ja alkaa perääntyä. Älä huoli, me "käännämme" sinulle yllä olevat sanat kielellä, jota kaikki ymmärtävät.
Perinteisissä galliumnitridi-LED:issä PN-liitos on kuin "kahden hengen vaihe", jossa n-alueen elektronit ja p-alueen reiät kohtaavat ja yhdistyvät uudelleen vapauttaen fotoneja samaan aikaan, mikä näkyy makroskooppisesti kirkkaana valona.
Tämän "tanssin" rytmiä ohjaa pääasiassa PN-liitoksen yli syötetty jännite. Mitä korkeampi jännite, sitä nopeammin elektronit ja reiät "tanssivat" ja sitä suurempi on valon säteilyn intensiteetti. Mutta kirkkauden säätämisen lisäksi tällä "vaiheella" ei näytä olevan muita toimintoja.
Kiinalaisten tieteellisten tutkijoiden innovatiivinen suunnittelu on antanut tälle "vaiheelle" uusia ominaisuuksia. He lisäsivät itsenäisen kolmannen elektrodin p-alueen yläpuolelle. Tämä elektrodi, kuten "stage manager", voi tarjota lisäohjausta "tanssijille" vaikuttamatta PN-solmun "suorituskykyyn".
Erityisesti, kun negatiivinen jännite kohdistetaan kolmanteen elektrodiin, se toimii "pölynimurina", joka voi houkutella reikiä lähellä p-aluetta. Reikien poistuminen, aivan kuten "tanssijia" on vähemmän lavalla, vähentää reikäpitoisuutta koko p-alueella.
Mitä tulee reikiin, koska ne ovat p-alueen enemmistön kantajia, niiden pitoisuuden muutokset vaikuttavat merkittävästi PN-liitoksen sähköisiin ominaisuuksiin. Reikäpitoisuuden pieneneminen tarkoittaa, että p-alueen johtavuus huononee, PN-liitoksen resistanssi kasvaa, elektronien ja reikien "kohtaamisen" todennäköisyys pienenee ja valovoima heikkenee. Päinvastoin, jos positiivinen jännite kohdistetaan kolmanteen elektrodiin, enemmän reikiä työnnetään p-alueelle, mikä parantaa PN-liitoksen luminesenssia.
Vaikka kolmannen elektrodin säädön vaikutus on samanlainen kuin kokonaisjännitteen säätämisessä, sen ohjausvaikutus on tarkempi ja energiahäviö pienempi.
Siinä ei vielä kaikki, kolmannen elektrodin lisääminen antaa sille uusia sovelluksia valosähköisessä ilmaisussa. Kun diodi toimii käänteisessä biasissa, PN-liitoksen sisällä oleva sähkökenttä voi erottaa valogeneroidut elektronireikä-parit, tuottaa valovirtaa ja toteuttaa optisten signaalien havaitsemisen. Kolmas elektrodi voi muuttaa PN-liitoksen sisäänrakennetun sähkökentän voimakkuutta säätämällä reiän pitoisuutta p-alueella, mikä vaikuttaa valovirran kokoon. Tämä vastaa "zoom-objektiivia", joka voi säätää diodin valosähköistä vasteherkkyyttä tarpeen mukaan.
Vielä hämmästyttävämpää on, että kun kolmatta elektrodia ja PN-liitosta tarkastellaan kokonaisuutena, tämä laite voi itse asiassa simuloida logiikkatoimintoja! Kuvittele, että voimme ajatella PN-liitoksen yli syötettyä jännitettä yhtenä tulosignaalina, kolmannen elektrodin jännitettä toisena tulosignaalina ja diodin virran ulostuloa loogisena tuloksena.
Suunnittelemalla piiri taitavasti ja säätämällä kahden tulosignaalin korkeat ja matalat tasot, diodi voidaan saada suorittamaan loogisia perustoimintoja, kuten "AND", "OR" ja "NOT". Tämä vastaa yksinkertaisen "lavan" päivittämistä monikäyttöiseksi "studiokeskukseksi"!
Tietenkin on vielä monia haasteita, jotka on voitettava ennen tämän tekniikan soveltamista, kuten laitteen suorituskyvyn edelleen optimointi ja valmistusprosessin luotettavuuden ja johdonmukaisuuden parantaminen. Mutta ei ole epäilystäkään siitä, että tämän monitoimisen galliumnitrididiodin ilmaantuminen osoittaa, että jännittävämpi optoelektroninen maailma on hiljaa tulossa.
Tässä maailmassa valon emissio, havaitseminen ja laskenta eivät ole enää erillisiä, vaan ne ovat täydellisesti integroituja ja tiiviisti koordinoituja yhdessä laitteessa. Meillä on syytä uskoa, että tämä läpimurtotutkimustulos tuo varmasti vallankumouksellisia muutoksia valaistuksen, näytön, viestinnän, tietojenkäsittelyn ja muille aloille tulevaisuudessa.
Yksi laite, useita toimintoja. Tämä ei ole vain teknologinen innovaatio, vaan se edustaa myös uutta ajattelutapaa. "Kolme-in-one" galliumnitrididiodi kertoo, että älykkäällä suunnittelulla ja rajat ylittävällä integraatiolla näennäisesti tavallinen laite voi vapauttaa myös poikkeuksellisia mahdollisuuksia. Tämä valaisee myös sitä, että niin tieteellisessä tutkimuksessa kuin muillakin aloilla luontaisten rajojen rikkominen ja rohkeus olla edelläkävijöitä ja innovaatioita voi aina tuoda odottamattomia yllätyksiä.
viittaukset:
Tuottaja: Popular Science China
Kirjailija: Guo Fei (Yantai University)
Tuottaja: China Popular Science Expo
Kerää ja järjestele viimeisimmät uutiset ja tee ei kaikista tarkastettavaksi ilmaiseksi.
