2024-07-16
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Quand vous pensez aux diodes, qu’est-ce qui vous vient à l’esprit ? Ce petit voyant clignotant sur votre chargeur de téléphone ? Des « yeux » infrarouges sur le devant de la télécommande ? Ce sont des applications courantes des diodes dans la vie quotidienne. En tant que composant de base des circuits électroniques, les diodes sont comme une « passerelle » unidirectionnelle qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens (rectification). Cette fonction apparemment simple joue un rôle clé dans d'innombrables appareils électroniques.
En fait, le potentiel des diodes va bien au-delà. Le groupe de recherche iGaN Lab du professeur Sun Haiding de l'Université des sciences et technologies de Chine et de l'académicien Liu Sheng de l'Université de Wuhan et son équipe ont récemment développé une photodiode multifonctionnelle, qui a élevé les perspectives d'application des diodes à un tout nouveau niveau. .
Cet article apparaît comme article de couverture dans Nature Electronics
(Source de l'image : référence 1)
Cette nouvelle diode multifonctionnelle,Non seulement il peut redresser comme une diode ordinaire, mais il peut également émettre de la lumière comme une diode électroluminescente (DEL). Il possède également des capacités de détection photoélectrique et d'opérations logiques. On peut dire que c'est « faire d'une pierre trois coups » ! Réaliser plusieurs fonctions dans une seule diode était inimaginable dans le passé.
Le cœur de cette « super diode » est une jonction PN à base de nitrure de gallium. Comme nous le savons tous, la jonction PN est le « cœur » de la diode et est composée de deux semi-conducteurs, de type p et de type n. Lorsqu'une tension directe est appliquée aux deux extrémités de la jonction PN, les électrons et les trous se rencontrent à la jonction et se « recombinent », générant ainsi du courant et rendant le circuit conducteur.
Si ce processus de recombinaison libère des photons, la jonction PN devient une diode électroluminescente capable de convertir l’énergie électrique en énergie lumineuse. Le nitrure de gallium est un matériau naturellement adapté aux LED.
Trois couleurs de LED
(Source de l'image : Wikipédia)
Le nitrure de gallium est un semi-conducteur émergent à large bande interdite. Comparé au silicium et au germanium traditionnels, il est comme un « grand type ». Il a besoin de plus d'énergie pour que les électrons traversent son « espace » de bande d'énergie.
Cela confère au nitrure de gallium de nombreux avantages :Il peut résister à des tensions, des températures et des fréquences plus élevées et convient à la fabrication de dispositifs à haute puissance, haute fréquence et haute température ; sa largeur de bande interdite correspond à la longueur d'onde du bleu-violet à la lumière ultraviolette, ce qui en fait un matériau idéal pour fabriquer des LED et des lasers à courte longueur d'onde ; il peut former des composés avec des bandes d'énergie réglables avec une variété d'éléments, facilitant l'intégration monolithique (intégration de plusieurs dispositifs fonctionnels sur le même matériau semi-conducteur pour former un système ou un sous-système complet).
Grâce à ces propriétés physiques et chimiques uniques, le nitrure de gallium brille dans les domaines de l'éclairage, de l'affichage, de la communication, de l'électronique de puissance et dans d'autres domaines, et est connu comme la « star » des semi-conducteurs de troisième génération.
Cette fois, les chercheurs ont apporté un changement apparemment mineur basé sur les LED au nitrure de gallium : l'ajout d'une troisième électrode contrôlable indépendamment au-dessus de la région de type p de la jonction PN. C'est cette conception exquise qui donne aux diodes plus de place à l'imagination.
Diagramme schématique de la nouvelle diode
(Source de l'image : référence 1)
En appliquant différentes tensions et en régulant le contact entre l'électrode et la région p, la concentration de porteurs dans la région de jonction PN peut être contrôlée, ajustant ainsi l'intensité lumineuse et la sensibilité de détection du dispositif. Mieux encore, les deux signaux de commande peuvent également simuler l'entrée d'une porte logique, permettant à la diode d'effectuer également des opérations logiques.
Après avoir vu cela, de nombreux lecteurs pourraient être confus et commencer à reculer. Ne vous inquiétez pas, nous « traduirons » les mots ci-dessus pour vous dans une langue que tout le monde peut comprendre.
Dans les LED traditionnelles au nitrure de gallium, la jonction PN est comme une « scène à deux » où les électrons de la région n et les trous de la région p se rencontrent et se recombinent, libérant des photons en même temps, qui apparaissent sous forme de lumière vive macroscopiquement.
Le rythme de cette « danse » est principalement contrôlé par la tension appliquée aux bornes de la jonction PN. Plus la tension est élevée, plus les électrons et les trous « dansent » rapidement et plus l'intensité de l'émission lumineuse est grande. Mais hormis le réglage de la luminosité, cette « scène » ne semble pas avoir d'autres fonctions.
La conception innovante des chercheurs scientifiques chinois a donné à cette « scène » de nouvelles capacités. Ils ont ajouté une troisième électrode indépendante au-dessus de la région p. Cette électrode, à la manière d'un « régisseur », peut fournir un contrôle supplémentaire aux « danseurs » sans affecter les « performances » du nœud PN.
Plus précisément, lorsqu'une tension négative est appliquée à la troisième électrode, elle agit comme un « aspirateur » qui peut attirer les trous à proximité de la région P. Le départ des trous, tout comme il y a moins de « danseurs » sur scène, entraînera une diminution de la concentration de trous dans toute la région p.
Quant aux trous, en tant que porteurs majoritaires dans la région p, les changements dans leur concentration affecteront de manière significative les propriétés électriques de la jonction PN. La diminution de la concentration de trous signifie que la conductivité de la région p se détériore, la résistance de la jonction PN augmente, la probabilité de « rencontre » des électrons et des trous diminue et l'intensité lumineuse s'affaiblit. Au contraire, si une tension positive est appliquée à la troisième électrode, davantage de trous seront poussés vers la région p, améliorant ainsi la luminescence de la jonction PN.
Bien que l'effet du réglage de la troisième électrode soit similaire à celui du réglage de la tension globale, son effet de contrôle est plus précis et la perte d'énergie est moindre.
Ce n'est pas tout, l'ajout de la troisième électrode lui donne de nouvelles applications en détection photoélectrique. Lorsque la diode fonctionne en polarisation inverse, le champ électrique à l'intérieur de la jonction PN peut séparer les paires électron-trou photogénérées, générer un photocourant et réaliser la détection de signaux optiques. La troisième électrode peut modifier l'intensité du champ électrique intégré de la jonction PN en ajustant la concentration de trous dans la région p, affectant ainsi la taille du photocourant. Cela équivaut à un « objectif zoom » qui peut ajuster la sensibilité de réponse photoélectrique de la diode selon les besoins.
Ce qui est encore plus étonnant, c'est que lorsque la troisième électrode et la jonction PN sont considérées dans leur ensemble, cet appareil peut réellement simuler des opérations logiques ! Imaginez que nous puissions considérer la tension appliquée aux bornes de la jonction PN comme un signal d'entrée, la tension de la troisième électrode comme un autre signal d'entrée et le courant de sortie de la diode comme le résultat logique.
En concevant intelligemment le circuit et en ajustant les niveaux haut et bas des deux signaux d'entrée, la diode peut être amenée à effectuer des opérations logiques de base telles que "ET", "OU" et "NON". Cela équivaut à transformer une simple « scène » en un « centre de studio » multifonctionnel !
Bien entendu, de nombreux défis doivent encore être surmontés avant que cette technologie puisse être appliquée, notamment l’optimisation des performances des appareils et l’amélioration de la fiabilité et de la cohérence du processus de fabrication. Mais il ne fait aucun doute que l’émergence de cette diode multifonctionnelle au nitrure de gallium indique qu’un monde optoélectronique plus passionnant s’annonce tranquillement.
Dans ce monde, l’émission lumineuse, la détection et le calcul ne sont plus distincts, mais sont parfaitement intégrés et étroitement coordonnés au sein d’un seul appareil. Nous avons des raisons de croire que ce résultat de recherche révolutionnaire apportera certainement des changements révolutionnaires dans les domaines de l'éclairage, de l'affichage, de la communication, de l'informatique et dans d'autres domaines à l'avenir.
Un seul appareil, plusieurs fonctions. Il ne s’agit pas seulement d’une innovation technologique, mais aussi d’une nouvelle façon de penser. La diode au nitrure de gallium « trois en un » nous indique qu'avec une conception intelligente et une intégration transfrontalière, un appareil apparemment ordinaire peut également libérer un potentiel extraordinaire. Cela nous montre également que, que ce soit dans la recherche scientifique ou dans d’autres domaines, briser les frontières inhérentes et avoir le courage d’être pionnier et d’innover peut toujours apporter des surprises inattendues.
les références:
Produit par : Popular Science Chine
Auteur : Guo Fei (Université de Yantai)
Producteur : Expo scientifique populaire de Chine
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