El estudio podría conducir a dispositivos optoelectrónicos más eficientes

Los diodos son los dispositivos electrónicos ampliamente utilizados que actúan como interruptores unidireccionales de corriente. Un ejemplo bien conocido es el LED (diodo emisor de luz), pero existe una clase especial de diodos diseñados para aprovechar un fenómeno conocido como «túnel cuántico». Denominados diodos resonantes de túnel (RTD), se encuentran entre los dispositivos semiconductores más rápidos y se utilizan en una miríada de aplicaciones prácticas, como osciladores de alta frecuencia en la banda de terahercios, emisores de ondas, detectores de ondas y puertas lógicas, para tomar solo una algunos ejemplos. Los RTD también son sensibles a la luz y se pueden utilizar como fotodetectores o componentes ópticamente activos en circuitos electrónicos ópticos.

El efecto túnel cuántico (o efecto túnel) es un fenómeno descrito por la mecánica cuántica en el que las partículas pueden viajar a través de un clásico prohibido. Condición energética. En otras palabras, pueden escapar de una región rodeada por una barrera potencial incluso si su energía cinética es menor que la energía potencial de la barrera.

«Los RTD consisten en dos barreras de potencial separadas por una capa que forma un pozo cuántico. Esta estructura se intercala entre los terminales formados por aleaciones de semiconductores con una alta concentración de cargas eléctricas, que se aceleran al colocar un voltaje a través del RTD. El efecto túnel Ocurre cuando la energía se sincroniza en cargas eléctricas aceleradas mediante La aplicación de voltaje con el nivel de energía cuántica en el pozo cuántico. Con la aplicación de voltaje, la energía de los electrones retenidos por la barrera aumenta, y en cierto nivel, se pueden cruzar la región prohibida. Sin embargo, si se aplica un voltaje más alto, los electrones no podrán pasar porque su energía excede la energía cuántica en el pozo, dijo Marcio Dalden Teodoro, profesor del Departamento de Física de la Universidad Federal. de Sao Carlos (UFSCar), en el estado de São Paulo, Brasil.

Teodoro fue el investigador principal de un estudio que determinó la acumulación de carga y la dinámica en RTD en el rango de voltaje aplicado. Se ha publicado un artículo que describe el estudio en Physical Review Applied. El estudio fue apoyado por la FAPESP a través de cuatro proyectos (13 / 18719-1, 14 / 19142-2, 14 / 02112-3 y 18 / 01914-0).

«El funcionamiento de los dispositivos basados ​​en RTD depende de varios factores, como la excitación, acumulación y transporte de carga, y las relaciones entre estas propiedades», dijo Teodoro. «La densidad del portador de carga en estos dispositivos siempre se ha determinado antes y después de la región de resonancia, pero no en la región de resonancia en sí, que lleva la información básica. Usamos espectroscopía avanzada y técnicas de transmisión electrónica para determinar la acumulación y dinámica de cargas en todo el dispositivo. La firma del túnel es un pico de corriente que lo sigue Una caída brusca a un voltaje dado depende de las características estructurales del RTD ».

campo magnético

Estudios anteriores han medido la densidad del portador de carga en función del voltaje utilizando la técnica de transferencia magnética, que relaciona la intensidad de la corriente y el campo magnético. Sin embargo, es posible que las herramientas de transmisión magnética no puedan caracterizar las propiedades de acumulación de carga en todo el rango de operación, y puede haber puntos ciegos para ciertos valores de voltaje. Como resultado, los investigadores también utilizaron una técnica llamada destello electromagnético, que verifica la emisión de luz producida por un voltaje aplicado en función del campo magnético.

Edson Rafael Cardozo de Oliveira dijo: «La fluorescencia electromagnética nos permitió estudiar rangos de voltaje que eran puntos ciegos de una transmisión magnética. Los resultados son idénticos en los puntos donde la densidad de carga se puede medir con ambas técnicas». Estas dos técnicas experimentales demostraron que eran ambos. Complementarios para obtener la densidad de carga completa en todo el rango de voltaje operativo del RTD.

Cardoso de Oliveira se doctoró. Recibió su doctorado en Física con Teodoro como consultor para su tesis, habiendo obtenido su doctorado en Alemania en el Departamento de Física Técnica de la Universidad de Würzburg. Entre sus otras contribuciones al estudio estaba la redacción del programa utilizado para procesar la enorme cantidad de datos, en orden de gigabytes, que produjeron los experimentos.

«El estudio podría dirigir más investigaciones sobre RTD, lo que podría conducir a dispositivos optoelectrónicos más eficientes», dijo. «Al observar la acumulación de cargas en función de VoltajeSerá posible desarrollar nuevos RTD con una distribución de carga mejorada para mejorar la eficiencia de detección óptica o reducir las pérdidas ópticas. «

Dado que los RTD son estructuras complejas, es importante saber cómo se distribuyen las cargas en ellos. «Ahora tenemos un mapa más completo de la distribución de envíos de RTD», dijo Víctor López Richard, profesor de UFSCar y coautor del artículo.

Artículo titulado «Determinación de la densidad y dinámica de portadores mediante espectroscopia de centelleo electromagnético en diodos resonantes tunelizados»