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Quando você pensa em diodos, o que vem à mente? Aquela pequena luz piscando no carregador do seu telefone? "Olhos" infravermelhos na frente do controle remoto? Estas são aplicações comuns de diodos na vida diária. Como componente básico dos circuitos eletrônicos, os diodos são como um “gateway” unidirecional que só permite a passagem da corrente em uma direção (retificação). Esta função aparentemente simples desempenha um papel fundamental em inúmeros dispositivos eletrônicos.

Na verdade, o potencial dos diodos vai muito além disso. O grupo de pesquisa do Laboratório iGaN do Professor Sun Haiding da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e do Acadêmico Liu Sheng da Universidade de Wuhan e sua equipe desenvolveram recentemente um fotodiodo multifuncional, que elevou as perspectivas de aplicação dos diodos a um nível totalmente novo .

Este artigo aparece como artigo de capa na Nature Electronics

(Fonte da imagem: Referência 1)

"Super diodo", o coração ainda é uma junção PN

Este novo diodo multifuncional,Ele não apenas pode retificar como um diodo comum, mas também pode emitir luz como um diodo emissor de luz (LED). Ele também possui recursos de detecção fotoelétrica e operações lógicas. Pode-se dizer que é “matar três coelhos com uma cajadada só”! Alcançar múltiplas funções em um diodo era inimaginável no passado.

O núcleo deste "super diodo" é uma junção PN baseada em nitreto de gálio. Como todos sabemos, a junção PN é o “coração” do diodo e é composta por dois semicondutores, tipo p e tipo n. Quando uma tensão direta é aplicada a ambas as extremidades da junção PN, elétrons e lacunas se encontrarão na junção e se “recombinarão”, gerando assim uma corrente e tornando o circuito condutivo.

Se esse processo de recombinação liberar fótons, a junção PN se tornará um diodo emissor de luz, que pode converter energia elétrica em energia luminosa. O nitreto de gálio é um material naturalmente adequado para LEDs.

Três cores de LEDs

(Fonte da imagem: Wikipédia)

O nitreto de gálio é um semicondutor emergente de banda larga. Comparado com o silício e o germânio tradicionais, é como um "grande cara". Ele requer mais energia para os elétrons cruzarem sua "lacuna" de banda de energia.

Isso dá muitas vantagens ao nitreto de gálio:Ele pode suportar tensões, temperaturas e frequências mais altas e é adequado para a fabricação de dispositivos de alta potência, alta frequência e alta temperatura. Sua largura de banda corresponde ao comprimento de onda da luz azul-violeta a ultravioleta, tornando-o um material ideal para; fabricação de LEDs e lasers de comprimento de onda curto. Pode formar compostos com faixas de energia ajustáveis ​​com uma variedade de elementos, facilitando a integração monolítica (integrando vários dispositivos funcionais no mesmo material semicondutor para formar um sistema ou subsistema completo).

Com essas propriedades físicas e químicas únicas, o nitreto de gálio brilha nas áreas de iluminação, exibição, comunicação, eletrônica de potência e outras áreas, e é conhecido como a "estrela" do semicondutor de terceira geração.

Desta vez, os pesquisadores fizeram uma mudança aparentemente pequena com base nos LEDs de nitreto de gálio: adicionando um terceiro eletrodo independentemente controlável acima da região tipo p da junção PN. É esse design requintado que dá aos diodos mais espaço para a imaginação.

Diagrama esquemático do novo diodo

(Fonte da imagem: Referência 1)

Ao aplicar diferentes tensões e regular o contato entre o eletrodo e a região p, a concentração de portadores na região da junção PN pode ser controlada, ajustando assim a intensidade luminosa e a sensibilidade de detecção do dispositivo. Melhor ainda, os dois sinais de controle também podem simular a entrada de uma porta lógica, permitindo que o diodo também execute operações lógicas.

Depois de ver isso, muitos leitores podem ficar confusos e começar a recuar. Não se preocupe, nós “traduziremos” as palavras acima para você em um idioma que todos possam entender.

O “palco” foi atualizado para o “centro de estúdio” e os superdiodos têm capacidades únicas

Nos LEDs tradicionais de nitreto de gálio, a junção PN é como um "estágio de duas pessoas", onde os elétrons na região n e os buracos na região p se encontram e se recombinam, liberando fótons ao mesmo tempo, que aparecem como luz brilhante macroscopicamente.

O ritmo desta “dança” é controlado principalmente pela tensão aplicada na junção PN. Quanto maior a voltagem, mais rápido os elétrons e buracos “dançam” e maior a intensidade da emissão de luz. Mas além de ajustar o brilho, este “estágio” parece não ter outras funções.

O design inovador dos investigadores científicos chineses deu a este “palco” novas capacidades. Eles adicionaram um terceiro eletrodo independente acima da região p. Este eletrodo, como um “gerente de palco”, pode fornecer controle adicional aos “dançarinos” sem afetar o “desempenho” do nó PN.

Especificamente, quando uma tensão negativa é aplicada ao terceiro eletrodo, ele atua como um “aspirador de pó” que pode atrair buracos próximos à região p. A saída de buracos, assim como há menos “dançarinos” no palco, fará com que a concentração de buracos em toda a região p diminua.

Quanto aos buracos, como portadores majoritários na região p, mudanças em sua concentração afetarão significativamente as propriedades elétricas da junção PN. A diminuição na concentração de buracos significa que a condutividade da região p piora, a resistência da junção PN aumenta, a probabilidade de elétrons e buracos "se encontrarem" diminui e a intensidade luminosa enfraquece. Pelo contrário, se uma tensão positiva for aplicada ao terceiro eletrodo, mais furos serão empurrados para a região p, aumentando a luminescência da junção PN.

Embora o efeito do ajuste do terceiro eletrodo seja semelhante ao ajuste da tensão geral, seu efeito de controle é mais preciso e a perda de energia é menor.

Isso não é tudo, a adição do terceiro eletrodo proporciona novas aplicações na detecção fotoelétrica. Quando o diodo funciona em polarização reversa, o campo elétrico dentro da junção PN pode separar os pares elétron-buraco fotogerados, gerar fotocorrente e realizar a detecção de sinais ópticos. O terceiro eletrodo pode alterar a intensidade do campo elétrico embutido da junção PN ajustando a concentração de furos na região p, afetando assim o tamanho da fotocorrente. Isto é equivalente a uma “lente zoom” que pode ajustar a sensibilidade da resposta fotoelétrica do diodo conforme necessário.

O que é ainda mais surpreendente é que quando o terceiro eletrodo e a junção PN são considerados como um todo, este dispositivo pode realmente simular operações lógicas! Imagine que podemos pensar na tensão aplicada através da junção PN como um sinal de entrada, na tensão do terceiro eletrodo como outro sinal de entrada e na corrente de saída do diodo como o resultado lógico.

Ao projetar habilmente o circuito e ajustar os níveis alto e baixo dos dois sinais de entrada, o diodo pode ser feito para realizar operações lógicas básicas, como "AND", "OR" e "NOT". Isso equivale a transformar um simples “palco” em um “centro de estúdio” multifuncional!

O futuro desenvolvimento de “super diodos”

É claro que ainda existem muitos desafios que precisam ser superados antes que esta tecnologia possa ser aplicada, como otimizar ainda mais o desempenho do dispositivo e melhorar a confiabilidade e a consistência do processo de fabricação. Mas não há dúvida de que o surgimento deste diodo multifuncional de nitreto de gálio indica que um mundo optoeletrônico mais emocionante está chegando silenciosamente.

Neste mundo, a emissão de luz, a detecção e o cálculo não são mais distintos, mas estão perfeitamente integrados e estreitamente coordenados dentro de um único dispositivo. Temos motivos para acreditar que este resultado inovador da pesquisa trará definitivamente mudanças revolucionárias nas áreas de iluminação, exibição, comunicação, computação e outras áreas no futuro.

Único dispositivo, múltiplas funções. Esta não é apenas uma inovação tecnológica, mas também representa uma nova forma de pensar. O díodo de nitreto de gálio "três em um" diz-nos que, com um design inteligente e integração transfronteiriça, um dispositivo aparentemente comum também pode libertar um potencial extraordinário. Isto também nos esclarece que, seja na investigação científica ou noutros campos, quebrar as fronteiras inerentes e ser corajoso o suficiente para ser pioneiro e inovar pode sempre trazer surpresas inesperadas.

referências:

1. Um diodo emissor e detector de luz de três terminais, 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, o primeiro fotodiodo inovador regulado por efeito de campo do meu país no mundo para comunicações ópticas e computação óptica.

Produzido por: Popular Science China

Autor: Guo Fei (Universidade Yantai)

Produtor: Expo Científica Popular da China