未来光电要靠它?这个“超级二极管”有点厉害!

  提起二极管,你会想到什么?手机充电器上闪烁的小灯?遥控器前端的红外“眼睛”?这些都是二极管在日常生活中的常见应用。作为电子电路的基础元件,二极管就像一个单行道的“关卡”,只允许电流单方向通过(整流)。这个看似简单的功能,却在无数电子设备中发挥着关键作用。

  其实,二极管的潜力远不止于此。中国科学技术大学孙海定教授iGaN Lab课题组、武汉大学刘胜院士及其团队,最新研制出一种多功能的光电二极管,将二极管的应用前景提升到了一个全新的高度。

  这种新型多功能二极管,不仅能像普通二极管那样整流,还能像发光二极管(LED)一样发光,同时还具备光电探测和逻辑运算的能力,真可谓“一石三鸟”!在一个二极管内实现多种功能,这在以往是很难来想象的。

  这种“超级二极管”的核心,是一个氮化镓基的PN结。众所周知,PN结是二极管的“心脏”,由p型和n型两种半导体构成。当PN结两端加上正向电压时,电子和空穴就会在交界处相遇,发生“复合”,由此产生电流,令电路导通。

  如果这个复合过程释放出光子,PN结就变成了发光二极管,能将电能转化为光能。而氮化镓,正是一种天生适合做LED的材料。

  氮化镓是一种新兴的宽禁带半导体,与传统的硅、锗相比,它就像一个“大块头”,电子要跨过它的能带“鸿沟”需要更大的能量。

  这赋予了氮化镓诸多优势:它能承受更高的电压、温度和频率,适合制造高功率、高频、高温的器件;它的禁带宽度对应着蓝紫光到紫外光的波长,是制造短波长LED和激光器的理想材料;它能与多种元素形成能带可调的化合物,方便实现单片集成(在同一块半导体材料上集成多种功能器件,形成一个完整的系统或子系统)。

  凭借这些独特的物理化学性质,氮化镓在照明、显示、通信、电力电子等领域大放异彩,被誉为第三代半导体的“明星”。

  而这次,科研人员基于氮化镓LED,做了一个看似小小的改动:在PN结的p型区域上方,添加了一个可独立控制的第三电极。就是这个精巧的设计,让二极管有了更多想象空间。

  通过施加不同电压,调控电极与p区的接触,就能控制PN结区域的载流子浓度,进而调节器件的发光强度和探测灵敏度。更妙的是,两个调控信号还能模拟逻辑门的输入,让二极管兼具逻辑运算的本领。

  看到这儿,也许不少读者已经一头雾水,开始打起退堂鼓了,先别急,我们接下来就用大家都能听懂的语言,给大家把上面的话“翻译”一遍。

  在传统的氮化镓LED中,PN结就像一个“双人舞台”,n区的电子和p区的空穴在这里相遇、复合,同时释放出光子,宏观上表现为发出亮光。

  而这支“舞蹈”的节奏,主要由施加在PN结两端的电压来控制。电压越高,电子和空穴“跳舞”的速度就越快,发光强度也就越大。但除了调节亮度外,这个“舞台”似乎没什么别的功能。

  中国科研人员的创新设计,却让这个“舞台”有了新的本事。他们在p区上方,添加了一个独立的第三电极。这个电极,就像一个“舞台监督”,可以在不影响PN结“表演”的同时,对“舞者”们进行额外的调控。

  具体来说,当在第三电极上施加一个负电压时,它就像一个“吸尘器”,可以将p区附近的空穴吸引过去。空穴的离去,就像舞台上的“舞者”变少了,会使整个p区的空穴浓度下降。

  而空穴,作为p区的多数载流子,其浓度的改变会明显影响PN结的电学性质。空穴浓度降低,意味着p区的导电性变差,PN结的电阻增大,电子和空穴“相遇”的概率降低,发光强度就会减弱。反之,如果在第三电极上施加正电压,就会将更多空穴推向p区,增强PN结的发光。

  调节第三电极虽然和调节整体电压取得的效果类似,但是它的调控效果更精准,且能量损耗更低。

  这还不是全部,第三电极的加入,让它在光电探测方面有了新的应用。当二极管工作在反向偏置时,PN结内部的电场可以将光生电子-空穴对分离,产生光电流,实现光信号的检测。而第三电极能够最终靠调节p区空穴浓度,来改变PN结内建电场的强度,进而影响光电流的大小。这就等于一个“变焦镜头”,能够准确的通过需要调节二极管的光电响应灵敏度。

  更令人惊叹的是,当把第三电极和PN结看作一个整体时,这个器件居然还能模拟逻辑运算!想象一下,我们大家可以把施加在PN结两端的电压看作一个输入信号,把第三电极的电压看作另一个输入信号,而将二极管的电流输出看作逻辑结果。

  通过巧妙地设计电路,调整两个输入信号的高低电平,就可以让这个二极管执行“与”“或”“非”等基本逻辑操作。这就等于把一个单纯的“舞台”升级成了一个多功能的“演播中心”!

  当然,这项技术要走向应用还有许多挑战需要克服,比如逐步优化器件性能,提高制造工艺的可靠性和一致性等。但毋庸置疑的是,这种多功能氮化镓二极管的面世,昭示着一个更精彩的光电世界正在悄然来临。

  在这个世界里,发光、探测、运算不再泾渭分明,而是在一个器件内完美融合、密切配合。我们有理由相信,这项突破性的研究成果,必将为未来的照明、显示、通信、计算等领域带来革命性的变革。

  单一器件,多种功能。这不仅是一项技术创新,更代表了一种全新的思路。“三合一”的氮化镓二极管告诉我们,只要巧妙设计,跨界融合,一个看似普通的器件,也能释放出非凡的潜力。这也启示我们,无论在科研还是在其他领域,打破固有的边界,勇于开拓创新,总能带来意想不到的惊喜。



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