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2024-07-16
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Cuando piensas en diodos, ¿qué te viene a la mente? ¿Esa pequeña luz parpadeante en el cargador de tu teléfono? ¿"Ojos" infrarrojos en la parte frontal del control remoto? Estas son aplicaciones comunes de los diodos en la vida diaria. Como componente básico de los circuitos electrónicos, los diodos son como una "puerta de entrada" unidireccional que sólo permite que la corriente pase en una dirección (rectificación). Esta función aparentemente sencilla desempeña un papel clave en innumerables dispositivos electrónicos.
De hecho, el potencial de los diodos va mucho más allá. El grupo de investigación iGaN Lab del profesor Sun Haiding de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y el académico Liu Sheng de la Universidad de Wuhan y su equipo han desarrollado recientemente un fotodiodo multifuncional, que ha elevado las perspectivas de aplicación de los diodos a un nivel completamente nuevo. .
Este artículo aparece como artículo de portada en Nature Electronics.
(Fuente de la imagen: Referencia 1)
Este nuevo diodo multifuncional,No sólo puede rectificar como un diodo ordinario, sino que también puede emitir luz como un diodo emisor de luz (LED). También tiene capacidades de detección fotoeléctrica y operaciones lógicas. ¡Se puede decir que es "matar tres pájaros de un tiro"! Lograr múltiples funciones en un diodo era inimaginable en el pasado.
El núcleo de este "súper diodo" es una unión PN basada en nitruro de galio. Como todos sabemos, la unión PN es el "corazón" del diodo y está compuesta por dos semiconductores, tipo p y tipo n. Cuando se aplica un voltaje directo a ambos extremos de la unión PN, los electrones y los huecos se encontrarán en la unión y se "recombinarán", generando así corriente y haciendo que el circuito sea conductor.
Si este proceso de recombinación libera fotones, la unión PN se convierte en un diodo emisor de luz, que puede convertir la energía eléctrica en energía luminosa. El nitruro de galio es un material naturalmente adecuado para los LED.
Tres colores de LED
(Fuente de la imagen: Wikipedia)
El nitruro de galio es un semiconductor emergente de banda ancha. En comparación con el silicio y el germanio tradicionales, es como un "tipo grande". Requiere más energía para que los electrones crucen su "brecha" de banda de energía.
Esto confiere al nitruro de galio muchas ventajas:Puede soportar voltajes, temperaturas y frecuencias más altos, y es adecuado para fabricar dispositivos de alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura. Su ancho de banda prohibida corresponde a la longitud de onda de la luz azul-violeta a ultravioleta, lo que lo convierte en un material ideal para; fabricar LED y láseres de longitud de onda corta; puede formar compuestos con bandas de energía ajustables con una variedad de elementos, facilitando la integración monolítica (integrando múltiples dispositivos funcionales en el mismo material semiconductor para formar un sistema o subsistema completo).
Con estas propiedades físicas y químicas únicas, el nitruro de galio brilla en los campos de la iluminación, la visualización, las comunicaciones, la electrónica de potencia y otros campos, y es conocido como la "estrella" de los semiconductores de tercera generación.
Esta vez, los investigadores hicieron un cambio aparentemente pequeño basado en los LED de nitruro de galio: agregar un tercer electrodo controlable de forma independiente sobre la región tipo p de la unión PN. Es este exquisito diseño el que da a los diodos más espacio para la imaginación.
Diagrama esquemático del nuevo diodo.
(Fuente de la imagen: Referencia 1)
Al aplicar diferentes voltajes y regular el contacto entre el electrodo y la región p, se puede controlar la concentración de portador en la región de unión PN, ajustando así la intensidad luminosa y la sensibilidad de detección del dispositivo. Aún mejor, las dos señales de control también pueden simular la entrada de una puerta lógica, permitiendo que el diodo también realice operaciones lógicas.
Después de ver esto, muchos lectores pueden sentirse confundidos y comenzar a retroceder. No se preocupe, "traduciremos" las palabras anteriores a un idioma que todos puedan entender.
En los LED tradicionales de nitruro de galio, la unión PN es como una "etapa de dos personas" donde los electrones en la región n y los huecos en la región p se encuentran y se recombinan, liberando fotones al mismo tiempo, que aparecen macroscópicamente como una luz brillante.
El ritmo de esta "danza" está controlado principalmente por el voltaje aplicado a través de la unión PN. Cuanto mayor es el voltaje, más rápido "bailan" los electrones y los huecos y mayor es la intensidad de la emisión de luz. Pero aparte de ajustar el brillo, este "escenario" parece no tener otras funciones.
El diseño innovador de los investigadores científicos chinos ha dotado a este "escenario" de nuevas capacidades. Agregaron un tercer electrodo independiente sobre la región p. Este electrodo, como un "director de escena", puede proporcionar control adicional a los "bailarines" sin afectar el "rendimiento" del nodo PN.
Específicamente, cuando se aplica un voltaje negativo al tercer electrodo, actúa como una "aspiradora" que puede atraer agujeros cerca de la región p. La salida de los agujeros, al igual que hay menos "bailarines" en el escenario, hará que disminuya la concentración de agujeros en toda la región p.
En cuanto a los huecos, como portadores mayoritarios en la región p, los cambios en su concentración afectarán significativamente las propiedades eléctricas de la unión PN. La disminución en la concentración de huecos significa que la conductividad de la región p empeora, la resistencia de la unión PN aumenta, la probabilidad de que los electrones y los huecos se "encuentren" disminuye y la intensidad luminosa se debilitará. Por el contrario, si se aplica un voltaje positivo al tercer electrodo, se empujarán más agujeros hacia la región p, mejorando la luminiscencia de la unión PN.
Aunque el efecto de ajustar el tercer electrodo es similar al de ajustar el voltaje general, su efecto de control es más preciso y la pérdida de energía es menor.
Eso no es todo, la adición del tercer electrodo le otorga nuevas aplicaciones en la detección fotoeléctrica. Cuando el diodo funciona en polarización inversa, el campo eléctrico dentro de la unión PN puede separar los pares electrón-hueco fotogenerados, generar fotocorriente y realizar la detección de señales ópticas. El tercer electrodo puede cambiar la intensidad del campo eléctrico incorporado de la unión PN ajustando la concentración de huecos en la región p, afectando así el tamaño de la fotocorriente. Esto equivale a una "lente zoom" que puede ajustar la sensibilidad de la respuesta fotoeléctrica del diodo según sea necesario.
Lo que es aún más sorprendente es que cuando el tercer electrodo y la unión PN se consideran como un todo, ¡este dispositivo puede simular operaciones lógicas! Imagine que podemos pensar en el voltaje aplicado a través de la unión PN como una señal de entrada, el voltaje del tercer electrodo como otra señal de entrada y la corriente de salida del diodo como el resultado lógico.
Al diseñar inteligentemente el circuito y ajustar los niveles alto y bajo de las dos señales de entrada, se puede hacer que el diodo realice operaciones lógicas básicas como "Y", "O" y "NO". ¡Esto equivale a convertir un "escenario" simple en un "centro de estudio" multifuncional!
Por supuesto, todavía quedan muchos desafíos que superar antes de que se pueda aplicar esta tecnología, como optimizar aún más el rendimiento del dispositivo y mejorar la confiabilidad y consistencia del proceso de fabricación. Pero no hay duda de que la aparición de este diodo de nitruro de galio multifuncional indica que un mundo optoelectrónico más apasionante está llegando silenciosamente.
En este mundo, la emisión de luz, la detección y el cálculo ya no son distintos, sino que están perfectamente integrados y estrechamente coordinados en un solo dispositivo. Tenemos razones para creer que este innovador resultado de investigación definitivamente traerá cambios revolucionarios en los campos de la iluminación, la visualización, la comunicación, la informática y otros campos en el futuro.
Un solo dispositivo, múltiples funciones. Esto no es sólo una innovación tecnológica, sino que también representa una nueva forma de pensar. El diodo de nitruro de galio "tres en uno" nos dice que con un diseño inteligente y una integración transfronteriza, un dispositivo aparentemente ordinario también puede liberar un potencial extraordinario. Esto también nos ilustra que, ya sea en la investigación científica o en otros campos, romper los límites inherentes y ser lo suficientemente valiente para ser pionero e innovar siempre puede traer sorpresas inesperadas.
referencias:
Producido por: Popular Science China
Autor: Guo Fei (Universidad de Yantai)
Productor: Exposición de Ciencias Populares de China
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