Νέα

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Όταν σκέφτεστε τις διόδους, τι σας έρχεται στο μυαλό; Αυτό το μικρό φως που αναβοσβήνει στον φορτιστή του τηλεφώνου σας; Υπέρυθρα «μάτια» στο μπροστινό μέρος του τηλεχειριστηρίου; Αυτές είναι κοινές εφαρμογές των διόδων στην καθημερινή ζωή. Ως βασικό συστατικό των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, οι δίοδοι είναι σαν μια μονόδρομη «πύλη» που επιτρέπει στο ρεύμα να περάσει μόνο προς μία κατεύθυνση (ανόρθωση). Αυτή η φαινομενικά απλή λειτουργία παίζει βασικό ρόλο σε αμέτρητες ηλεκτρονικές συσκευές.

Στην πραγματικότητα, το δυναμικό των διόδων υπερβαίνει κατά πολύ αυτό. Η ερευνητική ομάδα iGaN Lab του καθηγητή Sun Haiding του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας και του ακαδημαϊκού Liu Sheng του Πανεπιστημίου Wuhan και η ομάδα του ανέπτυξαν πρόσφατα μια πολυλειτουργική φωτοδίοδο, η οποία ανέβασε τις προοπτικές εφαρμογής των διόδων σε ένα εντελώς νέο επίπεδο .

Αυτό το άρθρο εμφανίζεται ως εξώφυλλο στο Nature Electronics

(Πηγή εικόνας: Αναφορά 1)

"Σούπερ δίοδος", η καρδιά εξακολουθεί να είναι μια διασταύρωση PN

Αυτή η νέα πολυλειτουργική δίοδος,Όχι μόνο μπορεί να διορθώσει όπως μια συνηθισμένη δίοδος, αλλά μπορεί επίσης να εκπέμψει φως όπως μια δίοδος εκπομπής φωτός (LED). Μπορεί να πει κανείς ότι «σκοτώνεις τρία πουλιά με μια πέτρα»! Η επίτευξη πολλαπλών λειτουργιών σε μία δίοδο ήταν αδιανόητη στο παρελθόν.

Ο πυρήνας αυτής της «υπερδιόδου» είναι μια σύνδεση PN με βάση το νιτρίδιο του γαλλίου. Όπως όλοι γνωρίζουμε, η σύνδεση PN είναι η «καρδιά» της διόδου και αποτελείται από δύο ημιαγωγούς, τύπου p και n. Όταν εφαρμόζεται μια τάση προς τα εμπρός και στα δύο άκρα της σύνδεσης PN, τα ηλεκτρόνια και οι οπές θα συναντηθούν στη διασταύρωση και θα "ανασυνδυαστούν", δημιουργώντας έτσι ρεύμα και καθιστώντας το κύκλωμα αγώγιμο.

Εάν αυτή η διαδικασία ανασυνδυασμού απελευθερώσει φωτόνια, η σύνδεση PN γίνεται μια δίοδος εκπομπής φωτός, η οποία μπορεί να μετατρέψει την ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή ενέργεια. Το νιτρίδιο του γαλλίου είναι ένα υλικό που είναι φυσικά κατάλληλο για LED.

Τρία χρώματα LED

(Πηγή εικόνας: Wikipedia)

Το νιτρίδιο του γαλλίου είναι ένας αναδυόμενος ημιαγωγός ευρείας ζώνης Σε σύγκριση με το παραδοσιακό πυρίτιο και το γερμάνιο, χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να διασχίσουν τα ηλεκτρόνια της ενεργειακής του ζώνης.

Αυτό δίνει στο νιτρίδιο του γαλλίου πολλά πλεονεκτήματα:Μπορεί να αντέξει υψηλότερη τάση, θερμοκρασία και συχνότητα και είναι κατάλληλο για την κατασκευή συσκευών υψηλής ισχύος, υψηλής συχνότητας και υψηλής θερμοκρασίας, το πλάτος του διακένου αντιστοιχεί στο μήκος κύματος του μπλε-ιώδους έως το υπεριώδες φως, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για Κατασκευή LED μικρού μήκους κύματος και λέιζερ Μπορεί να σχηματίσει ενώσεις με ρυθμιζόμενες ενεργειακές ζώνες με ποικιλία στοιχείων, διευκολύνοντας τη μονολιθική ολοκλήρωση (ενσωμάτωση πολλαπλών λειτουργικών συσκευών στο ίδιο υλικό ημιαγωγών για να σχηματιστεί ένα πλήρες σύστημα ή υποσύστημα).

Με αυτές τις μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες, το νιτρίδιο του γαλλίου λάμπει στους τομείς του φωτισμού, της οθόνης, της επικοινωνίας, των ηλεκτρονικών ισχύος και άλλων πεδίων, και είναι γνωστό ως το «αστέρι» της τρίτης γενιάς ημιαγωγών.

Αυτή τη φορά, οι ερευνητές έκαναν μια φαινομενικά μικρή αλλαγή με βάση τα LED νιτριδίου του γαλλίου: προσθέτοντας ένα ανεξάρτητα ελεγχόμενο τρίτο ηλεκτρόδιο πάνω από την περιοχή τύπου p της διασταύρωσης PN. Αυτός ο εξαιρετικός σχεδιασμός είναι που δίνει στις διόδους περισσότερο χώρο για φαντασία.

Σχηματικό διάγραμμα νέας διόδου

(Πηγή εικόνας: Αναφορά 1)

Εφαρμόζοντας διαφορετικές τάσεις και ρυθμίζοντας την επαφή μεταξύ του ηλεκτροδίου και της περιοχής p, μπορεί να ελεγχθεί η συγκέντρωση του φορέα στην περιοχή σύνδεσης PN, ρυθμίζοντας έτσι την ένταση της φωτεινότητας και την ευαισθησία ανίχνευσης της συσκευής. Ακόμη καλύτερα, τα δύο σήματα ελέγχου μπορούν επίσης να προσομοιώσουν την είσοδο μιας λογικής πύλης, επιτρέποντας στη δίοδο να εκτελεί επίσης λογικές λειτουργίες.

Αφού το δουν αυτό, πολλοί αναγνώστες μπορεί να μπερδευτούν και να αρχίσουν να υποχωρούν.

Η «σκηνή» αναβαθμίζεται στο «στούντιο κέντρο», και οι σούπερ δίοδοι έχουν μοναδικές δυνατότητες

Στα παραδοσιακά LED νιτριδίου του γαλλίου, η διασταύρωση PN είναι σαν ένα "στάδιο δύο ατόμων" όπου τα ηλεκτρόνια στην περιοχή n και οι οπές στην περιοχή p συναντώνται και ανασυνδυάζονται, απελευθερώνοντας φωτόνια ταυτόχρονα, τα οποία εμφανίζονται ως έντονο φως μακροσκοπικά.

Ο ρυθμός αυτού του «χορού» ελέγχεται κυρίως από την τάση που εφαρμόζεται στη διασταύρωση PN. Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση, τόσο πιο γρήγορα «χορεύουν» τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες και τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση της εκπομπής φωτός. Εκτός όμως από τη ρύθμιση της φωτεινότητας, αυτό το «στάδιο» φαίνεται να μην έχει άλλες λειτουργίες.

Ο καινοτόμος σχεδιασμός Κινέζων επιστημονικών ερευνητών έδωσε σε αυτό το «στάδιο» νέες δυνατότητες. Πρόσθεσαν ένα ανεξάρτητο τρίτο ηλεκτρόδιο πάνω από την περιοχή p. Αυτό το ηλεκτρόδιο, όπως ένας «διαχειριστής σκηνής», μπορεί να παρέχει πρόσθετο έλεγχο στους «χορευτές» χωρίς να επηρεάζει την «απόδοση» του κόμβου PN.

Συγκεκριμένα, όταν εφαρμόζεται αρνητική τάση στο τρίτο ηλεκτρόδιο, λειτουργεί σαν «ηλεκτρική σκούπα» που μπορεί να προσελκύσει τρύπες κοντά στην περιοχή p. Η αναχώρηση των οπών, όπως ακριβώς υπάρχουν λιγότεροι «χορευτές» στη σκηνή, θα προκαλέσει μείωση της συγκέντρωσης των τρυπών σε ολόκληρη την περιοχή p.

Όσον αφορά τις οπές, ως οι περισσότεροι φορείς στην περιοχή p, οι αλλαγές στη συγκέντρωσή τους θα επηρεάσουν σημαντικά τις ηλεκτρικές ιδιότητες της διασταύρωσης PN. Η μείωση της συγκέντρωσης της οπής σημαίνει ότι η αγωγιμότητα της περιοχής p γίνεται χειρότερη, η αντίσταση της σύνδεσης PN αυξάνεται, η πιθανότητα ηλεκτρονίων και οπών να "συναντηθούν" μειώνεται και η φωτεινή ένταση θα εξασθενήσει. Αντίθετα, εάν εφαρμοστεί θετική τάση στο τρίτο ηλεκτρόδιο, περισσότερες οπές θα ωθηθούν στην περιοχή p, ενισχύοντας τη φωταύγεια της διασταύρωσης PN.

Αν και το αποτέλεσμα της ρύθμισης του τρίτου ηλεκτροδίου είναι παρόμοιο με αυτό της ρύθμισης της συνολικής τάσης, το αποτέλεσμα ελέγχου του είναι πιο ακριβές και η απώλεια ενέργειας είναι μικρότερη.

Δεν είναι μόνο αυτό, η προσθήκη του τρίτου ηλεκτροδίου του δίνει νέες εφαρμογές στη φωτοηλεκτρική ανίχνευση. Όταν η δίοδος λειτουργεί σε αντίστροφη πόλωση, το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στη διασταύρωση PN μπορεί να διαχωρίσει τα φωτοπαραγόμενα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, να δημιουργήσει φωτορεύμα και να πραγματοποιήσει την ανίχνευση οπτικών σημάτων. Το τρίτο ηλεκτρόδιο μπορεί να αλλάξει την ένταση του ενσωματωμένου ηλεκτρικού πεδίου της διασταύρωσης PN ρυθμίζοντας τη συγκέντρωση της οπής στην περιοχή p, επηρεάζοντας έτσι το μέγεθος του φωτορεύματος. Αυτό ισοδυναμεί με έναν "φακό ζουμ" που μπορεί να προσαρμόσει την ευαισθησία φωτοηλεκτρικής απόκρισης της διόδου όπως χρειάζεται.

Το ακόμα πιο εκπληκτικό είναι ότι όταν το τρίτο ηλεκτρόδιο και η διασταύρωση PN θεωρούνται ως σύνολο, αυτή η συσκευή μπορεί πραγματικά να προσομοιώσει λογικές πράξεις! Φανταστείτε ότι μπορούμε να σκεφτούμε την τάση που εφαρμόζεται στη διασταύρωση PN ως ένα σήμα εισόδου, την τάση του τρίτου ηλεκτροδίου ως άλλο σήμα εισόδου και το ρεύμα εξόδου της διόδου ως λογικό αποτέλεσμα.

Σχεδιάζοντας έξυπνα το κύκλωμα και ρυθμίζοντας τα υψηλά και χαμηλά επίπεδα των δύο σημάτων εισόδου, η δίοδος μπορεί να γίνει για να εκτελεί βασικές λογικές λειτουργίες όπως "AND", "OR" και "NOT". Αυτό ισοδυναμεί με την αναβάθμιση μιας απλής «σκηνής» σε πολυλειτουργικό «στούντιο κέντρο»!

Η μελλοντική ανάπτυξη των «υπερδιόδων»

Φυσικά, υπάρχουν ακόμα πολλές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν για να μπορέσει να εφαρμοστεί αυτή η τεχνολογία, όπως η περαιτέρω βελτιστοποίηση της απόδοσης της συσκευής και η βελτίωση της αξιοπιστίας και της συνέπειας της διαδικασίας κατασκευής. Αλλά δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η εμφάνιση αυτής της πολυλειτουργικής διόδου νιτριδίου του γαλλίου δείχνει ότι ένας πιο συναρπαστικός οπτοηλεκτρονικός κόσμος έρχεται ήσυχα.

Σε αυτόν τον κόσμο, η εκπομπή φωτός, η ανίχνευση και ο υπολογισμός δεν είναι πλέον διακριτά, αλλά είναι τέλεια ενσωματωμένα και στενά συντονισμένα σε μία συσκευή. Έχουμε λόγους να πιστεύουμε ότι αυτό το πρωτοποριακό ερευνητικό αποτέλεσμα θα φέρει σίγουρα επαναστατικές αλλαγές στους τομείς του φωτισμού, της οθόνης, της επικοινωνίας, των υπολογιστών και άλλων τομέων στο μέλλον.

Ενιαία συσκευή, πολλαπλές λειτουργίες. Αυτό δεν είναι μόνο μια τεχνολογική καινοτομία, αλλά αντιπροσωπεύει επίσης έναν νέο τρόπο σκέψης. Η δίοδος νιτριδίου του γαλλίου "τρία σε ένα" μας λέει ότι με έξυπνο σχεδιασμό και διασυνοριακή ενσωμάτωση, μια φαινομενικά συνηθισμένη συσκευή μπορεί επίσης να απελευθερώσει εκπληκτικές δυνατότητες. Αυτό μας διαφωτίζει επίσης ότι είτε στην επιστημονική έρευνα είτε σε άλλους τομείς, το σπάσιμο των εγγενών ορίων και το να είμαστε αρκετά γενναίοι για να πρωτοπορούμε και να καινοτομούμε μπορεί πάντα να φέρουμε απροσδόκητες εκπλήξεις.

βιβλιογραφικές αναφορές:

1. Μια δίοδος εκπομπής και ανίχνευσης φωτός με τρία τερματικά, Muhammad Hunain Memon, Huabin Yu, Yuanmin Luo, Yang Kang, Wei Chen, Dong Li, Dongyang Luo, Shudan Xiao, Chengjie Zuo, Chen Gong, Chao Shen, Lan Fu, Boon S. Ooi, Sheng Liu & Haiding Sun
2. Wu Changfeng, η πρώτη καινοτόμος φωτοδίοδος ρυθμιζόμενης δράσης πεδίου στον κόσμο για οπτικές επικοινωνίες και οπτικούς υπολογιστές.

Παραγωγή: Popular Science China

Συγγραφέας: Guo Fei (Πανεπιστήμιο Yantai)

Παραγωγός: China Popular Science Expo