Dioder är allmänt använda elektroniska enheter som fungerar som envägsbrytare för ström. Ett välkänt exempel är LED (light-emitting diode), men det finns en speciell klass av dioder som är utformade för att utnyttja det fenomen som kallas "kvanttunnelering". Kallas resonant-tunneldioder (RTDs), de är bland de snabbaste halvledarenheterna och används i otaliga praktiska tillämpningar, såsom högfrekventa oscillatorer i terahertzbandet, vågsändare, vågdetektorer, och logiska grindar, för att bara ta några få exempel. RTD är också känsliga för ljus och kan användas som fotodetektorer eller optiskt aktiva element i optoelektroniska kretsar.

Kvanttunnel (eller tunneleffekten) är ett fenomen som beskrivs av kvantmekanik där partiklar kan övergå genom ett klassiskt förbjudet energitillstånd. Med andra ord, de kan fly från ett område som omges av en potentiell barriär även om deras kinetiska energi är lägre än barriärens potentiella energi.

"RTDs består av två potentiella barriärer åtskilda av ett lager som bildar en kvantbrunn. Denna struktur är inklämd mellan extremiteter som bildas av halvledarlegeringar med en hög koncentration av elektriska laddningar, som accelereras när en spänning placeras över RTD:n. Tunneleffekten uppstår när energin i de elektriska laddningarna som accelereras genom applicering av spänningen sammanfaller med den kvantiserade energinivån i kvantbrunnen. När spänningen appliceras, energin hos elektronerna som kvarhålls av barriären ökar, och på en specifik nivå, de kan korsa det förbjudna området. Dock, om en ännu högre spänning appliceras, elektronerna kan inte längre ta sig igenom eftersom deras energi överskrider den kvantiserade energin i brunnen, "sa Marcio Daldin Teodoro, en professor vid fysikavdelningen vid Federal University of São Carlos (UFSCar), i delstaten São Paulo, Brasilien.

Teodoro var den främsta utredaren för en studie som bestämde laddningsuppbyggnad och dynamik i RTD:er i hela det applicerade spänningsområdet. En artikel som beskriver studien publiceras i Physical Review Applied. Studien stöddes av FAPESP via fyra projekt (13/18719-1, 14/19142-2, 14/02112-3 och 18/01914-0).

"Funktionen av RTD-baserade enheter beror på flera parametrar, såsom laddningsexitation, ackumulering och transport, och förhållandena mellan dessa egenskaper, " Sa Teodoro. "Laddningsbärarens täthet i dessa enheter har alltid bestämts före och efter resonansområdet, men inte i själva resonansområdet, som bär nyckelinformationen. Vi använde avancerad spektroskopi och elektroniska transporttekniker för att bestämma laddningsackumulering och dynamik i hela enheten. Tunnelsignaturen är en toppström följt av ett kraftigt fall till en specifik spänning som beror på RTD:s strukturella egenskaper."

Magnetiskt fält

Tidigare studier mätte laddningsbärartätheten som en funktion av spänning med hjälp av magneto-transporttekniken, som korrelerar strömintensitet och magnetfält. Dock, magnetotransportverktyg kanske inte kan karakterisera laddningsackumulering i hela driftsområdet, och det kan finnas döda vinklar för vissa spänningsvärden. Som ett resultat, forskarna använde också en teknik som kallas magneto-elektroluminescens, som undersöker ljusemissionen som induceras av spänningen som appliceras som en funktion av magnetfältet.

"Magneto-elektroluminescens gjorde det möjligt för oss att studera spänningsband som var magnetotransporterande döda fläckar. Resultaten matchade vid punkter där laddningstätheten kan mätas med båda teknikerna, " sa Edson Rafael Cardozo de Oliveira, tidningens första författare. "Dessa två experimentella tekniker visade sig vara komplementära för en fullständig undersökning av laddningstätheten över hela RTD-driftspänningsområdet."

Cardozo de Oliveira tog en Ph.D. i fysik med Teodoro som sin avhandlingsrådgivare, efter en sandwich -doktorsexamen i Tyskland vid universitetet i Würzburgs institution för teknisk fysik. Bland hans andra bidrag till studien var att skriva programvaran som användes för att bearbeta den enorma mängden data, i storleksordningen gigabyte, producerade av experimenten.

"Studien kan vägleda ytterligare forskning om RTD, som potentiellt leder till produktion av effektivare optoelektroniska enheter, " sa han. "Genom att övervaka laddningsuppbyggnaden som en funktion av spänningen, det kommer att vara möjligt att utveckla nya RTD:er med optimerad laddningsfördelning för att förbättra fotodetektionseffektiviteten eller minimera optiska förluster."

Eftersom FoTU är så komplexa strukturer, Det är viktigt att veta hur avgifterna fördelas i dem. "Vi har nu en mer komplett karta över FoTU-avgiftsdistribution, "sa Victor Lopez Richard, en professor vid UFSCar och en medförfattare till uppsatsen.

Uppsatsen "Bestämning av bärardensitet och dynamik via magneto-elektroluminescensspektroskopi i resonant-tunneldioder"