Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Что приходит на ум, когда вы думаете о диодах? Этот маленький мигающий свет на зарядном устройстве вашего телефона? Инфракрасные «глаза» на передней панели пульта? Это обычное применение диодов в повседневной жизни. Являясь основным компонентом электронных схем, диоды подобны односторонним «воротам», которые пропускают ток только в одном направлении (выпрямление). Эта, казалось бы, простая функция играет ключевую роль во многих электронных устройствах.

На самом деле потенциал диодов выходит далеко за рамки этого. Исследовательская группа iGaN Lab, состоящая из профессора Сунь Хайдинга из Университета науки и технологий Китая и академика Лю Шэна из Уханьского университета и его команды, недавно разработала многофункциональный фотодиод, который поднял перспективы применения диодов на совершенно новый уровень. .

Эта статья появляется на обложке журнала Nature Electronics.

(Источник изображения: Ссылка 1)

«Супердиод», сердце по-прежнему PN-переход

Этот новый многофункциональный диод,Он не только может выпрямлять, как обычный диод, но также может излучать свет, как светодиод (LED). Он также обладает возможностями фотоэлектрического обнаружения и логических операций. Можно сказать, «убить трёх зайцев одним выстрелом»! Раньше выполнение нескольких функций в одном диоде было невообразимо.

Сердцевиной этого «супердиода» является PN-переход на основе нитрида галлия. Как мы все знаем, PN-переход является «сердцем» диода и состоит из двух полупроводников: p-типа и n-типа. Когда прямое напряжение прикладывается к обоим концам PN-перехода, электроны и дырки встречаются в переходе и «рекомбинируют», тем самым генерируя ток и делая цепь проводящей.

Если в результате этого процесса рекомбинации высвобождаются фотоны, PN-переход становится светоизлучающим диодом, который может преобразовывать электрическую энергию в энергию света. Нитрид галлия — это материал, который естественным образом подходит для светодиодов.

Три цвета светодиодов

(Источник изображения: Википедия)

Нитрид галлия — это новый полупроводник с широкой запрещенной зоной, по сравнению с традиционными кремнием и германием, он похож на «большого парня». Для пересечения «щели» энергетической зоны электронам требуется больше энергии.

Это дает нитриду галлия множество преимуществ:Он может выдерживать более высокое напряжение, температуру и частоту и подходит для производства мощных, высокочастотных и высокотемпературных устройств; его ширина запрещенной зоны соответствует длине волны от сине-фиолетового до ультрафиолетового света, что делает его идеальным материалом для производство коротковолновых светодиодов и лазеров; он может образовывать соединения с регулируемыми энергетическими диапазонами с различными элементами, облегчая монолитную интеграцию (интеграцию нескольких функциональных устройств на одном и том же полупроводниковом материале для формирования полной системы или подсистемы).

Благодаря этим уникальным физическим и химическим свойствам нитрид галлия прекрасно подходит для освещения, отображения, связи, силовой электроники и других областей и известен как «звезда» полупроводника третьего поколения.

На этот раз исследователи внесли, казалось бы, небольшое изменение на основе светодиодов из нитрида галлия: добавили независимо управляемый третий электрод над областью p-типа PN-перехода. Именно этот изысканный дизайн дает диодам больше простора для фантазии.

Принципиальная схема нового диода

(Источник изображения: Ссылка 1)

Подавая различные напряжения и регулируя контакт между электродом и p-областью, можно контролировать концентрацию носителей в области PN-перехода, тем самым регулируя интенсивность света и чувствительность обнаружения устройства. Более того, два управляющих сигнала могут также моделировать вход логического элемента, позволяя диоду также выполнять логические операции.

Увидев это, многие читатели могут растеряться и начать отступать. Не волнуйтесь, мы «переведем» приведенные выше слова на язык, понятный каждому.

«Сцена» модернизирована до «студийного центра», а супердиоды обладают уникальными возможностями.

В традиционных светодиодах из нитрида галлия PN-переход подобен «стадии двух человек», где электроны в n-области и дырки в p-области встречаются и рекомбинируются, одновременно высвобождая фотоны, что макроскопически выглядит как яркий свет.

Ритм этого «танца» в основном контролируется напряжением, приложенным к PN-переходу. Чем выше напряжение, тем быстрее «танцуют» электроны и дырки и тем больше интенсивность светового излучения. Но кроме регулировки яркости, других функций эта "сцена" вроде бы не имеет.

Инновационная разработка китайских ученых придала этой «сцене» новые возможности. Они добавили независимый третий электрод над p-областью. Этот электрод, подобно «постановщику сцены», может обеспечить дополнительный контроль «танцорам», не влияя на «работоспособность» ПН-узла.

В частности, когда к третьему электроду прикладывается отрицательное напряжение, он действует как «пылесос», который может притягивать дырки вблизи p-области. Уход дырок, как и уменьшение количества «танцоров» на сцене, приведет к уменьшению концентрации дырок во всей p-области.

Что касается дырок, как основных носителей заряда в p-области, то изменение их концентрации существенно повлияет на электрические свойства PN-перехода. Уменьшение концентрации дырок означает, что проводимость p-области ухудшается, сопротивление PN-перехода увеличивается, вероятность «встречи» электронов и дырок уменьшается, а сила света ослабевает. Напротив, если к третьему электроду приложить положительное напряжение, в p-область будет перемещено больше дырок, что усилит люминесценцию PN-перехода.

Хотя эффект регулировки третьего электрода аналогичен эффекту регулировки общего напряжения, его эффект управления более точен, а потери энергии ниже.

Это еще не все: добавление третьего электрода дает ему новые возможности применения в фотоэлектрическом обнаружении. Когда диод работает в обратном смещении, электрическое поле внутри PN-перехода может разделять фотогенерированные электронно-дырочные пары, генерировать фототок и осуществлять детектирование оптических сигналов. Третий электрод может изменять интенсивность встроенного электрического поля PN-перехода, регулируя концентрацию дырок в p-области, тем самым влияя на величину фототока. Это эквивалентно «зум-объективу», который может при необходимости регулировать чувствительность фотоэлектрического отклика диода.

Что еще более удивительно, так это то, что если рассматривать третий электрод и PN-переход как единое целое, это устройство действительно может моделировать логические операции! Представьте себе, что мы можем думать о напряжении, приложенном к PN-переходу, как об одном входном сигнале, о напряжении третьего электрода как о другом входном сигнале, а о токовом выходе диода как о логическом результате.

Умно спроектировав схему и отрегулировав высокий и низкий уровни двух входных сигналов, диод можно заставить выполнять основные логические операции, такие как «И», «ИЛИ» и «НЕ». Это равносильно превращению простой «сцены» в многофункциональный «студийный центр»!

Будущее развитие «супердиодов»

Конечно, еще предстоит решить множество проблем, прежде чем эту технологию можно будет применять, например, дальнейшая оптимизация производительности устройств и повышение надежности и последовательности производственного процесса. Но нет сомнений в том, что появление этого многофункционального диода из нитрида галлия указывает на то, что постепенно приближается более захватывающий мир оптоэлектроники.

В этом мире излучение света, обнаружение и расчет больше не разделены, а идеально интегрированы и тесно скоординированы в одном устройстве. У нас есть основания полагать, что этот прорывной результат исследования определенно принесет революционные изменения в области освещения, отображения, связи, вычислений и других областей в будущем.

Одно устройство, несколько функций. Это не только технологическая инновация, но и новый образ мышления. Диод из нитрида галлия «три в одном» говорит нам о том, что благодаря продуманному дизайну и международной интеграции, казалось бы, обычное устройство может раскрыть необычайный потенциал. Это также информирует нас о том, что будь то в научных исследованиях или в других областях, нарушение присущих границ и смелость для новаторства и инноваций всегда могут принести неожиданные сюрпризы.

Рекомендации:

1. Трехконтактный светоизлучающий и детекторный диод, Мухаммад Хунайн Мемон, Хуабинь Юй, Юаньминь Ло, Ян Кан, Вэй Чэнь, Дун Ли, Дуньян Ло, Шудань Сяо, Чэнцзе Цзо, Чэнь Гун, Чао Шэнь, Лань Фу, Бун С. Уй, Шэн Лю и Хайдин Сан
2. У Чанфэн — первый в мире инновационный фотодиод с полевым регулированием для оптической связи и оптических вычислений.

Продюсер: Popular Science China

Автор: Го Фэй (Университет Яньтай)

Производитель: China Popular Science Expo