Undersøgelse kan føre til produktion af mere effektive optoelektroniske enheder

Dioder er meget udbredte elektroniske enheder, der fungerer som envejsafbrydere for strøm. Et velkendt eksempel er LED (lysemitterende diode), men der er en speciel klasse af dioder designet til at gøre brug af fænomenet kendt som "kvantetunneling". Kaldes resonant-tunneling dioder (RTD'er), de er blandt de hurtigste halvlederenheder og bruges i utallige praktiske applikationer, såsom højfrekvente oscillatorer i terahertz-båndet, bølgeemittere, bølgedetektorer, og logiske porte, for kun at tage nogle få eksempler. RTD'er er også følsomme over for lys og kan bruges som fotodetektorer eller optisk aktive elementer i optoelektroniske kredsløb.

Kvantetunnelering (eller tunneleffekten) er et fænomen beskrevet af kvantemekanikken, hvor partikler er i stand til at gå gennem en klassisk forbudt energitilstand. Med andre ord, de kan flygte fra et område omgivet af en potentiel barriere, selvom deres kinetiske energi er lavere end barrierens potentielle energi.

"RTD'er består af to potentielle barrierer adskilt af et lag, der danner en kvantebrønd. Denne struktur er klemt ind mellem ekstremiteter dannet af halvlederlegeringer med en høj koncentration af elektriske ladninger, som accelereres, når der placeres en spænding over RTD'en. Tunneleffekten opstår, når energien i de elektriske ladninger, der accelereres ved påføring af spændingen, falder sammen med det kvantiserede energiniveau i kvantebrønden. Når spændingen påføres, energien af ​​elektronerne tilbageholdt af barrieren stiger, og på et bestemt niveau, de er i stand til at krydse det forbudte område. Imidlertid, hvis der påføres en endnu højere spænding, elektronerne kan ikke længere komme igennem, fordi deres energi overstiger den kvantiserede energi i brønden, " sagde Marcio Daldin Teodoro, en professor i fysikafdelingen ved Federal University of São Carlos (UFSCar), i staten São Paulo, Brasilien.

Teodoro var hovedforsker for en undersøgelse, der bestemte ladningsopbygning og dynamik i RTD'er i hele det påførte spændingsområde. Et papir, der beskriver undersøgelsen, er offentliggjort i Physical Review Applied. Undersøgelsen blev støttet af FAPESP via fire projekter (13/18719-1, 14/19142-2, 14/02112-3 og 18/01914-0).

"Betjening af RTD-baserede enheder afhænger af flere parametre, såsom ladning excitation, akkumulering og transport, og forholdet mellem disse egenskaber, " sagde Teodoro. "Ladningsbærerens tæthed i disse enheder er altid blevet bestemt før og efter resonansområdet, men ikke i selve resonansområdet, som bærer nøgleoplysningerne. Vi brugte avanceret spektroskopi og elektroniske transportteknikker til at bestemme ladningsakkumulering og dynamik i hele enheden. Tunnelsignaturen er en spidsstrøm efterfulgt af et skarpt fald til en specifik spænding, der afhænger af RTD'ens strukturelle karakteristika."

Magnetfelt

Tidligere undersøgelser målte ladningsbærerens tæthed som funktion af spænding ved hjælp af magnetotransportteknikken, som korrelerer strømintensitet og magnetfelt. Imidlertid, magneto-transportværktøjer er muligvis ikke i stand til at karakterisere ladningsakkumulering i hele driftsområdet, og der kan være blinde vinkler for visse spændingsværdier. Som resultat, forskerne brugte også en teknik kaldet magneto-elektroluminescens, som undersøger lysemissionen induceret af den påførte spænding som funktion af magnetfeltet.

"Magneto-elektroluminescens gjorde det muligt for os at studere spændingsbånd, der var magneto-transport blinde pletter. Resultaterne matchede på punkter, hvor ladningstæthed kan måles ved begge teknikker, " sagde Edson Rafael Cardozo de Oliveira, avisens første forfatter. "Disse to eksperimentelle teknikker viste sig at være komplementære for en komplet undersøgelse af ladningstæthed på tværs af hele RTD-driftsspændingsområdet."

Cardozo de Oliveira opnåede en ph.d. i fysik med Teodoro som specialevejleder, efter en sandwich-doktorgrad i Tyskland ved universitetet i Würzburgs afdeling for teknisk fysik. Blandt hans andre bidrag til undersøgelsen var at skrive softwaren, der blev brugt til at behandle den enorme mængde data, i størrelsesordenen gigabyte, produceret af forsøgene.

"Undersøgelsen kan vejlede yderligere forskning i FTU'er, potentielt føre til produktion af mere effektive optoelektroniske enheder, " sagde han. "Ved at overvåge ladningsopbygning som funktion af spænding, det vil være muligt at udvikle nye RTD'er med optimeret ladningsfordeling for at forbedre fotodetektionseffektiviteten eller minimere optiske tab."

Fordi FTU'er er så komplekse strukturer, det er vigtigt at vide, hvordan afgifter er fordelt i dem. "Vi har nu et mere komplet kort over FTU-afgiftsdistribution, " sagde Victor Lopez Richard, en professor ved UFSCar og medforfatter til papiret.

Artiklen "Bestemmelse af bærertæthed og dynamik via magneto-elektroluminescensspektroskopi i resonant-tunnelerende dioder"