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Quando pensi ai diodi, cosa ti viene in mente? Quella piccola luce lampeggiante sul caricabatterie del telefono? "Occhi" a infrarossi sulla parte anteriore del telecomando? Queste sono applicazioni comuni dei diodi nella vita quotidiana. Come componente base dei circuiti elettronici, i diodi sono come un "gateway" unidirezionale che consente alla corrente di passare solo in una direzione (rettifica). Questa funzione apparentemente semplice gioca un ruolo chiave in innumerevoli dispositivi elettronici.

In realtà, il potenziale dei diodi va ben oltre. Il gruppo di ricerca iGaN Lab del professor Sun Haiding dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina e dell'accademico Liu Sheng dell'Università di Wuhan e il suo team hanno recentemente sviluppato un fotodiodo multifunzionale, che ha portato le prospettive di applicazione dei diodi a un livello completamente nuovo .

Questo articolo appare come articolo di copertina su Nature Electronics

(Fonte immagine: riferimento 1)

"Super diodo", il cuore è ancora una giunzione PN

Questo nuovo diodo multifunzione,Non solo può rettificarsi come un normale diodo, ma può anche emettere luce come un diodo emettitore di luce (LED). Ha anche la capacità di rilevamento fotoelettrico e operazioni logiche. Si può dire che "prendere tre piccioni con una fava"! In passato era impensabile ottenere più funzioni in un solo diodo.

Il nucleo di questo "super diodo" è una giunzione PN a base di nitruro di gallio. Come tutti sappiamo, la giunzione PN è il "cuore" del diodo ed è composta da due semiconduttori, di tipo p e di tipo n. Quando viene applicata una tensione diretta a entrambe le estremità della giunzione PN, gli elettroni e le lacune si incontreranno sulla giunzione e si "ricombineranno", generando così corrente e rendendo il circuito conduttivo.

Se questo processo di ricombinazione rilascia fotoni, la giunzione PN diventa un diodo emettitore di luce, in grado di convertire l'energia elettrica in energia luminosa. Il nitruro di gallio è un materiale naturalmente adatto ai LED.

Tre colori di LED

(Fonte immagine: Wikipedia)

Il nitruro di gallio è un semiconduttore emergente a banda larga rispetto al silicio e al germanio tradizionali, è come un "ragazzo grosso" che richiede più energia affinché gli elettroni attraversino il suo "gap" di banda energetica.

Ciò offre al nitruro di gallio molti vantaggi:Può resistere a tensioni, temperature e frequenze più elevate ed è adatto per la produzione di dispositivi ad alta potenza, alta frequenza e alta temperatura; la sua larghezza di banda corrisponde alla lunghezza d'onda della luce dal blu-viola alla luce ultravioletta, rendendolo un materiale ideale per produrre LED e laser a lunghezza d'onda corta; può formare composti con bande di energia regolabili con una varietà di elementi, facilitando l'integrazione monolitica (integrando più dispositivi funzionali sullo stesso materiale semiconduttore per formare un sistema o sottosistema completo).

Con queste proprietà fisiche e chimiche uniche, il nitruro di gallio brilla nei campi dell'illuminazione, dei display, delle comunicazioni, dell'elettronica di potenza e in altri campi ed è conosciuto come la "stella" dei semiconduttori di terza generazione.

Questa volta, i ricercatori hanno apportato una modifica apparentemente piccola basata sui LED al nitruro di gallio: aggiungendo un terzo elettrodo controllabile in modo indipendente sopra la regione di tipo p della giunzione PN. È questo design raffinato che dà ai diodi più spazio all'immaginazione.

Diagramma schematico del nuovo diodo

(Fonte immagine: riferimento 1)

Applicando tensioni diverse e regolando il contatto tra l'elettrodo e la regione p, è possibile controllare la concentrazione del portatore nella regione della giunzione PN, regolando così l'intensità luminosa e la sensibilità di rilevamento del dispositivo. Ancora meglio, i due segnali di controllo possono anche simulare l'ingresso di una porta logica, consentendo al diodo di eseguire anche operazioni logiche.

Dopo aver visto questo, molti lettori potrebbero essere confusi e iniziare a fare marcia indietro. Non preoccuparti, “tradurremo” le parole di cui sopra per te in una lingua che tutti possano capire.

Il "palcoscenico" viene aggiornato al "centro studio" e i super diodi hanno capacità uniche

Nei tradizionali LED al nitruro di gallio, la giunzione PN è come uno "stadio a due persone" in cui gli elettroni nella regione n e le lacune nella regione p si incontrano e si ricombinano, rilasciando contemporaneamente fotoni, che appaiono macroscopicamente come luce brillante.

Il ritmo di questa "danza" è controllato principalmente dalla tensione applicata attraverso la giunzione PN. Maggiore è la tensione, più velocemente "danzano" gli elettroni e le lacune e maggiore è l'intensità dell'emissione luminosa. Ma a parte la regolazione della luminosità, questo "palcoscenico" sembra non avere altre funzioni.

Il design innovativo dei ricercatori scientifici cinesi ha conferito a questa "fase" nuove capacità. Hanno aggiunto un terzo elettrodo indipendente sopra la regione p. Questo elettrodo, come un "direttore di scena", può fornire un controllo aggiuntivo ai "ballerini" senza influenzare la "prestazione" del nodo PN.

Nello specifico, quando viene applicata una tensione negativa al terzo elettrodo, esso agisce come un "aspirapolvere" in grado di attirare i fori vicino alla regione p. La partenza dei buchi, proprio come ci sono meno "ballerini" sul palco, farà diminuire la concentrazione dei buchi nell'intera regione p.

Per quanto riguarda i buchi, essendo i portatori maggioritari nella regione p, i cambiamenti nella loro concentrazione influenzeranno in modo significativo le proprietà elettriche della giunzione PN. La diminuzione della concentrazione di lacune significa che la conduttività della regione p peggiora, la resistenza della giunzione PN aumenta, la probabilità che elettroni e lacune si "incontrino" diminuisce e l'intensità luminosa si indebolirà. Al contrario, se viene applicata una tensione positiva al terzo elettrodo, verranno spinti più fori nella regione p, aumentando la luminescenza della giunzione PN.

Sebbene l'effetto della regolazione del terzo elettrodo sia simile a quello della regolazione della tensione complessiva, il suo effetto di controllo è più preciso e la perdita di energia è inferiore.

Ma non è tutto, l'aggiunta del terzo elettrodo offre nuove applicazioni nel rilevamento fotoelettrico. Quando il diodo funziona con polarizzazione inversa, il campo elettrico all'interno della giunzione PN può separare le coppie elettrone-lacuna fotogenerate, generare fotocorrente e realizzare il rilevamento di segnali ottici. Il terzo elettrodo può modificare l'intensità del campo elettrico incorporato della giunzione PN regolando la concentrazione delle lacune nella regione p, influenzando così la dimensione della fotocorrente. Ciò equivale a una "lente zoom" in grado di regolare la sensibilità della risposta fotoelettrica del diodo secondo necessità.

Ciò che è ancora più sorprendente è che se si considerano il terzo elettrodo e la giunzione PN nel loro insieme, questo dispositivo può effettivamente simulare operazioni logiche! Immaginiamo di poter pensare alla tensione applicata attraverso la giunzione PN come un segnale di ingresso, alla tensione del terzo elettrodo come a un altro segnale di ingresso e alla corrente di uscita del diodo come il risultato logico.

Progettando in modo intelligente il circuito e regolando i livelli alto e basso dei due segnali di ingresso, è possibile fare in modo che il diodo esegua operazioni logiche di base come "AND", "OR" e "NOT". Ciò equivale a trasformare un semplice "palcoscenico" in un "centro studio" multifunzionale!

Il futuro sviluppo dei “superdiodi”

Naturalmente, ci sono ancora molte sfide da superare prima che questa tecnologia possa essere applicata, come l’ulteriore ottimizzazione delle prestazioni del dispositivo e il miglioramento dell’affidabilità e della coerenza del processo di produzione. Ma non c'è dubbio che l'emergere di questo diodo al nitruro di gallio multifunzionale indica che un mondo optoelettronico più entusiasmante si sta silenziosamente avvicinando.

In questo mondo emissione luminosa, rilevamento e calcolo non sono più distinti, ma sono perfettamente integrati e strettamente coordinati all’interno di un unico dispositivo. Abbiamo motivo di credere che questo risultato rivoluzionario della ricerca porterà sicuramente cambiamenti rivoluzionari nei campi dell'illuminazione, dei display, della comunicazione, dell'informatica e di altri campi in futuro.

Un unico dispositivo, molteplici funzioni. Questa non è solo un'innovazione tecnologica, ma rappresenta anche un nuovo modo di pensare. Il diodo al nitruro di gallio "tre in uno" ci dice che con un design intelligente e un'integrazione transfrontaliera, un dispositivo apparentemente ordinario può anche liberare un potenziale straordinario. Questo ci illumina anche sul fatto che, sia nella ricerca scientifica che in altri campi, rompere i confini intrinseci ed essere abbastanza coraggiosi da pionieri e innovatori può sempre portare sorprese inaspettate.

Riferimenti:

1. Un diodo a tre terminali per l'emissione e la rilevazione della luce, 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 e Haiding Sun
2. Wu Changfeng. Il primo innovativo fotodiodo regolato ad effetto di campo del mio paese al mondo per le comunicazioni ottiche e il calcolo ottico

Prodotto da: Popular Science Cina

Autore: Guo Fei (Università di Yantai)

Produttore: China Popular Science Expo