berita

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Ketika Anda memikirkan dioda, apa yang terlintas dalam pikiran Anda? Lampu kecil yang berkedip di pengisi daya ponsel Anda? "Mata" inframerah di bagian depan remote control? Ini adalah aplikasi umum dioda dalam kehidupan sehari-hari. Sebagai komponen dasar rangkaian elektronik, dioda ibarat “pintu gerbang” satu arah yang hanya memungkinkan arus mengalir dalam satu arah (penyearahan). Fungsi yang tampaknya sederhana ini memainkan peran penting dalam banyak perangkat elektronik.

Faktanya, potensi dioda lebih dari itu. Kelompok penelitian iGaN Lab yang terdiri dari Profesor Sun Haiding dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok dan Akademisi Liu Sheng dari Universitas Wuhan serta timnya baru-baru ini mengembangkan fotodioda multi-fungsi, yang telah meningkatkan prospek penerapan dioda ke tingkat yang benar-benar baru. .

Artikel ini muncul sebagai artikel sampul di Nature Electronics

(Sumber gambar: Referensi 1)

"Super dioda", jantungnya masih merupakan sambungan PN

Dioda multifungsi baru ini,Tidak hanya dapat menyearah seperti dioda biasa, tetapi juga dapat memancarkan cahaya seperti dioda pemancar cahaya (LED). Ia juga memiliki kemampuan deteksi fotolistrik dan operasi logika. Bisa dikatakan "membunuh tiga burung dengan satu batu"! Mencapai banyak fungsi dalam satu dioda tidak terbayangkan di masa lalu.

Inti dari "dioda super" ini adalah sambungan PN berbasis galium nitrida. Seperti kita ketahui bersama, sambungan PN adalah "jantung" dioda dan terdiri dari dua semikonduktor, tipe-p dan tipe-n. Ketika tegangan maju diterapkan ke kedua ujung sambungan PN, elektron dan lubang akan bertemu di sambungan tersebut dan "bergabung kembali", sehingga menghasilkan arus dan membuat rangkaian menjadi konduktif.

Jika proses rekombinasi ini melepaskan foton, maka sambungan PN menjadi dioda pemancar cahaya, yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. Gallium nitrida adalah bahan yang secara alami cocok untuk LED.

Tiga warna LED

(Sumber gambar: Wikipedia)

Gallium nitrida adalah semikonduktor dengan celah pita lebar yang sedang berkembang. Dibandingkan dengan silikon tradisional dan germanium, ia seperti "orang besar". Ia membutuhkan lebih banyak energi bagi elektron untuk melewati "celah" pita energinya.

Hal ini memberikan banyak keuntungan bagi galium nitrida:Ia dapat menahan tegangan, suhu dan frekuensi yang lebih tinggi, dan cocok untuk pembuatan perangkat berdaya tinggi, frekuensi tinggi, dan suhu tinggi; lebar celah pitanya sesuai dengan panjang gelombang biru-ungu hingga sinar ultraviolet, menjadikannya bahan yang ideal untuk pembuatan LED dan laser dengan panjang gelombang pendek; Ia dapat membentuk senyawa dengan pita energi yang dapat disesuaikan dengan berbagai elemen, memfasilitasi integrasi monolitik (mengintegrasikan beberapa perangkat fungsional pada bahan semikonduktor yang sama untuk membentuk sistem atau subsistem yang lengkap).

Dengan sifat fisik dan kimia yang unik ini, galium nitrida bersinar di bidang pencahayaan, tampilan, komunikasi, elektronika daya, dan bidang lainnya, dan dikenal sebagai "bintang" semikonduktor generasi ketiga.

Kali ini, para peneliti membuat perubahan kecil berdasarkan LED galium nitrida: menambahkan elektroda ketiga yang dapat dikontrol secara independen di atas wilayah tipe-p pada sambungan PN. Desain indah inilah yang memberi dioda lebih banyak ruang untuk berimajinasi.

Diagram skema dioda baru

(Sumber gambar: Referensi 1)

Dengan menerapkan voltase berbeda dan mengatur kontak antara elektroda dan wilayah p, konsentrasi pembawa di wilayah sambungan PN dapat dikontrol, sehingga menyesuaikan intensitas cahaya dan sensitivitas deteksi perangkat. Yang lebih baik lagi, kedua sinyal kontrol juga dapat mensimulasikan masukan gerbang logika, sehingga dioda juga dapat melakukan operasi logika.

Setelah melihat ini, banyak pembaca mungkin bingung dan mulai mundur. Jangan khawatir, kami akan “menerjemahkan” kata-kata di atas untuk Anda dalam bahasa yang dapat dimengerti semua orang.

"Panggung" ditingkatkan menjadi "pusat studio", dan dioda super memiliki kemampuan unik

Pada LED galium nitrida tradisional, sambungan PN seperti "tahap dua orang" di mana elektron di daerah n dan lubang di daerah p bertemu dan bergabung kembali, melepaskan foton pada saat yang sama, yang tampak sebagai cahaya terang secara makroskopis.

Irama "tarian" ini terutama dikendalikan oleh tegangan yang diterapkan pada sambungan PN. Semakin tinggi tegangan, semakin cepat elektron dan lubang “menari” dan semakin besar intensitas pancaran cahayanya. Namun selain untuk mengatur kecerahan, "panggung" ini sepertinya tidak memiliki fungsi lain.

Rancangan inovatif para peneliti ilmiah Tiongkok telah memberikan “tahap” ini kemampuan baru. Mereka menambahkan elektroda ketiga independen di atas wilayah p. Elektroda ini, seperti "manajer panggung", dapat memberikan kontrol tambahan kepada "penari" tanpa mempengaruhi "kinerja" node PN.

Khususnya, ketika tegangan negatif diterapkan pada elektroda ketiga, ia bertindak seperti "penyedot debu" yang dapat menarik lubang di dekat wilayah p. Kepergian hole, seperti halnya jumlah "penari" yang lebih sedikit di atas panggung, akan menyebabkan konsentrasi hole di seluruh wilayah p berkurang.

Sedangkan untuk lubang, sebagai pembawa mayoritas di wilayah p, perubahan konsentrasinya akan mempengaruhi sifat kelistrikan sambungan PN secara signifikan. Penurunan konsentrasi lubang berarti konduktivitas daerah p menjadi lebih buruk, resistansi sambungan PN meningkat, kemungkinan “pertemuan” elektron dan lubang berkurang, dan intensitas cahaya akan melemah. Sebaliknya, jika tegangan positif diterapkan pada elektroda ketiga, lebih banyak lubang akan didorong ke daerah p, sehingga meningkatkan pendaran sambungan PN.

Meskipun efek penyesuaian elektroda ketiga serupa dengan pengaturan tegangan keseluruhan, efek kontrolnya lebih tepat dan kehilangan energi lebih rendah.

Bukan hanya itu saja, penambahan elektroda ketiga memberikan aplikasi baru dalam deteksi fotolistrik. Ketika dioda bekerja dalam bias terbalik, medan listrik di dalam sambungan PN dapat memisahkan pasangan lubang elektron yang difotogenerasi, menghasilkan arus foto, dan mewujudkan pendeteksian sinyal optik. Elektroda ketiga dapat mengubah intensitas medan listrik bawaan sambungan PN dengan menyesuaikan konsentrasi lubang di wilayah p, sehingga mempengaruhi ukuran arus foto. Ini setara dengan "lensa zoom" yang dapat mengatur sensitivitas respons fotolistrik dioda sesuai kebutuhan.

Yang lebih menakjubkan lagi adalah ketika elektroda ketiga dan sambungan PN dianggap sebagai satu kesatuan, perangkat ini sebenarnya dapat mensimulasikan operasi logika! Bayangkan kita dapat membayangkan tegangan yang diterapkan pada sambungan PN sebagai satu sinyal masukan, tegangan elektroda ketiga sebagai sinyal masukan lainnya, dan keluaran arus dioda sebagai hasil logis.

Dengan merancang rangkaian secara cerdik dan menyesuaikan level tinggi dan rendah dari dua sinyal input, dioda dapat dibuat untuk melakukan operasi logika dasar seperti "AND", "OR" dan "NOT". Ini setara dengan meningkatkan "panggung" sederhana menjadi "pusat studio" multifungsi!

Perkembangan masa depan “dioda super”

Tentunya masih banyak tantangan yang harus diatasi sebelum teknologi ini dapat diterapkan, seperti lebih mengoptimalkan kinerja perangkat serta meningkatkan keandalan dan konsistensi proses manufaktur. Namun tidak ada keraguan bahwa kemunculan dioda galium nitrida multi-fungsi ini menunjukkan bahwa dunia optoelektronik yang lebih menarik akan segera datang.

Di dunia ini, emisi cahaya, deteksi, dan penghitungan tidak lagi terpisah, namun terintegrasi sempurna dan terkoordinasi erat dalam satu perangkat. Kami mempunyai alasan untuk percaya bahwa hasil penelitian terobosan ini pasti akan membawa perubahan revolusioner pada bidang pencahayaan, tampilan, komunikasi, komputasi, dan bidang lainnya di masa depan.

Perangkat tunggal, banyak fungsi. Ini bukan hanya sebuah inovasi teknologi, tetapi juga mewakili cara berpikir baru. Dioda galium nitrida "tiga-dalam-satu" memberi tahu kita bahwa dengan desain yang cerdas dan integrasi lintas batas, perangkat yang tampak biasa juga dapat mengeluarkan potensi luar biasa. Hal ini juga menyadarkan kita bahwa baik dalam penelitian ilmiah atau bidang lainnya, mendobrak batasan yang melekat dan cukup berani untuk merintis dan berinovasi selalu dapat membawa kejutan yang tidak terduga.

referensi:

1. Dioda pemancar dan pendeteksi cahaya tiga terminal, 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. Fotodioda dengan regulasi efek medan inovatif pertama di dunia untuk komunikasi optik dan komputasi optik

Diproduksi oleh: Ilmu Pengetahuan Populer Tiongkok

Penulis: Guo Fei (Universitas Yantai)

Produser: Pameran Sains Populer Tiongkok