未來(lái)光電要靠它？這個(gè)“超級(jí)二極管”有點(diǎn)厲害！

出品：科普中國(guó)

作者：郭菲（煙臺(tái)大學(xué)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

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提起二極管，你會(huì)想到什么？手機(jī)充電器上閃爍的小燈？遙控器前端的紅外“眼睛”？這些都是二極管在日常生活中的常見(jiàn)應(yīng)用。作為電子電路的基礎(chǔ)元件，二極管就像一個(gè)單行道的“關(guān)卡”，只允許電流單方向通過(guò)（整流）。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的功能，卻在無(wú)數(shù)電子設(shè)備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

其實(shí)，二極管的潛力遠(yuǎn)不止于此。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授iGaN Lab課題組、武漢大學(xué)劉勝院士及其團(tuán)隊(duì)，最新研制出一種多功能的光電二極管，將二極管的應(yīng)用前景提升到了一個(gè)全新的高度。

本文以封面文章形式登上《自然-電子》

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

“超級(jí)二極管”，心臟還是PN結(jié)

這種新型多功能二極管，不僅能像普通二極管那樣整流，還能像發(fā)光二極管(LED)一樣發(fā)光，同時(shí)還具備光電探測(cè)和邏輯運(yùn)算的能力，真可謂“一石三鳥(niǎo)”！在一個(gè)二極管內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種功能，這在以往是難以想象的。

這種“超級(jí)二極管”的核心，是一個(gè)氮化鎵基的PN結(jié)。眾所周知，PN結(jié)是二極管的“心臟”，由p型和n型兩種半導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向電壓時(shí)，電子和空穴就會(huì)在交界處相遇，發(fā)生“復(fù)合”，從而產(chǎn)生電流，令電路導(dǎo)通。

如果這個(gè)復(fù)合過(guò)程釋放出光子，PN結(jié)就變成了發(fā)光二極管，能將電能轉(zhuǎn)化為光能。而氮化鎵，正是一種天生適合做LED的材料。

三種顏色的LED

（圖片來(lái)源：維基百科）

氮化鎵是一種新興的寬禁帶半導(dǎo)體，與傳統(tǒng)的硅、鍺相比，它就像一個(gè)“大塊頭”，電子要跨過(guò)它的能帶“鴻溝”需要更大的能量。

這賦予了氮化鎵諸多優(yōu)勢(shì)：它能承受更高的電壓、溫度和頻率，適合制造高功率、高頻、高溫的器件；它的禁帶寬度對(duì)應(yīng)著藍(lán)紫光到紫外光的波長(zhǎng)，是制造短波長(zhǎng)LED和激光器的理想材料；它能與多種元素形成能帶可調(diào)的化合物，方便實(shí)現(xiàn)單片集成（在同一塊半導(dǎo)體材料上集成多種功能器件，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)）。

憑借這些獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，氮化鎵在照明、顯示、通信、電力電子等領(lǐng)域大放異彩，被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體的“明星”。

而這次，科研人員基于氮化鎵LED，做了一個(gè)看似小小的改動(dòng)：在PN結(jié)的p型區(qū)域上方，添加了一個(gè)可獨(dú)立控制的第三電極。就是這個(gè)精巧的設(shè)計(jì)，讓二極管有了更多想象空間。

新型二極管示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

通過(guò)施加不同電壓，調(diào)控電極與p區(qū)的接觸，就能控制PN結(jié)區(qū)域的載流子濃度，進(jìn)而調(diào)節(jié)器件的發(fā)光強(qiáng)度和探測(cè)靈敏度。更妙的是，兩個(gè)調(diào)控信號(hào)還能模擬邏輯門(mén)的輸入，讓二極管兼具邏輯運(yùn)算的本領(lǐng)。

看到這兒，也許不少讀者已經(jīng)一頭霧水，開(kāi)始打起退堂鼓了，先別急，我們接下來(lái)就用大家都能聽(tīng)懂的語(yǔ)言，給大家把上面的話“翻譯”一遍。

“舞臺(tái)”升級(jí)“演播中心”，超級(jí)二極管本領(lǐng)獨(dú)到

在傳統(tǒng)的氮化鎵LED中，PN結(jié)就像一個(gè)“雙人舞臺(tái)”，n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴在這里相遇、復(fù)合，同時(shí)釋放出光子，宏觀上表現(xiàn)為發(fā)出亮光。

而這支“舞蹈”的節(jié)奏，主要由施加在PN結(jié)兩端的電壓來(lái)控制。電壓越高，電子和空穴“跳舞”的速度就越快，發(fā)光強(qiáng)度也就越大。但除了調(diào)節(jié)亮度外，這個(gè)“舞臺(tái)”似乎沒(méi)有什么別的功能。

中國(guó)科研人員的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，卻讓這個(gè)“舞臺(tái)”有了新的本事。他們?cè)趐區(qū)上方，添加了一個(gè)獨(dú)立的第三電極。這個(gè)電極，就像一個(gè)“舞臺(tái)監(jiān)督”，可以在不影響PN結(jié)“表演”的同時(shí)，對(duì)“舞者”們進(jìn)行額外的調(diào)控。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)在第三電極上施加一個(gè)負(fù)電壓時(shí)，它就像一個(gè)“吸塵器”，可以將p區(qū)附近的空穴吸引過(guò)去。空穴的離去，就像舞臺(tái)上的“舞者”變少了，會(huì)使整個(gè)p區(qū)的空穴濃度下降。

而空穴，作為p區(qū)的多數(shù)載流子，其濃度的改變會(huì)顯著影響PN結(jié)的電學(xué)性質(zhì)?？昭舛冉档?，意味著p區(qū)的導(dǎo)電性變差，PN結(jié)的電阻增大，電子和空穴“相遇”的概率降低，發(fā)光強(qiáng)度就會(huì)減弱。反之，如果在第三電極上施加正電壓，就會(huì)將更多空穴推向p區(qū)，增強(qiáng)PN結(jié)的發(fā)光。

調(diào)節(jié)第三電極雖然和調(diào)節(jié)整體電壓取得的效果類似，但是它的調(diào)控效果更加精準(zhǔn)，且能量損耗更低。

這還不是全部，第三電極的加入，讓它在光電探測(cè)方面有了新的應(yīng)用。當(dāng)二極管工作在反向偏置時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部的電場(chǎng)可以將光生電子-空穴對(duì)分離，產(chǎn)生光電流，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的檢測(cè)。而第三電極可以通過(guò)調(diào)節(jié)p區(qū)空穴濃度，來(lái)改變PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度，進(jìn)而影響光電流的大小。這就相當(dāng)于一個(gè)“變焦鏡頭”，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)二極管的光電響應(yīng)靈敏度。

更令人驚嘆的是，當(dāng)把第三電極和PN結(jié)看作一個(gè)整體時(shí)，這個(gè)器件居然還能模擬邏輯運(yùn)算！想象一下，我們可以把施加在PN結(jié)兩端的電壓看作一個(gè)輸入信號(hào)，把第三電極的電壓看作另一個(gè)輸入信號(hào)，而將二極管的電流輸出看作邏輯結(jié)果。

通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)電路，調(diào)整兩個(gè)輸入信號(hào)的高低電平，就可以讓這個(gè)二極管執(zhí)行“與”“或”“非”等基本邏輯操作。這就相當(dāng)于把一個(gè)單純的“舞臺(tái)”升級(jí)成了一個(gè)多功能的“演播中心”！

“超級(jí)二極管”的未來(lái)發(fā)展

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)要走向應(yīng)用還有許多挑戰(zhàn)需要克服，比如進(jìn)一步優(yōu)化器件性能，提高制造工藝的可靠性和一致性等。但毋庸置疑的是，這種多功能氮化鎵二極管的面世，昭示著一個(gè)更加精彩的光電世界正在悄然來(lái)臨。

在這個(gè)世界里，發(fā)光、探測(cè)、運(yùn)算不再?zèng)芪挤置鳎窃谝粋€(gè)器件內(nèi)完美融合、密切配合。我們有理由相信，這項(xiàng)突破性的研究成果，必將為未來(lái)的照明、顯示、通信、計(jì)算等領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變革。

單一器件，多重功能。這不僅是一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，更代表了一種全新的思路?！叭弦弧钡牡壎O管告訴我們，只要巧妙設(shè)計(jì)，跨界融合，一個(gè)看似普通的器件，也能釋放出非凡的潛力。這也啟示我們，無(wú)論在科研還是在其他領(lǐng)域，打破固有的邊界，勇于開(kāi)拓創(chuàng)新，總能帶來(lái)意想不到的驚喜。

參考文獻(xiàn)：

1.A three-terminal light emitting and detecting diode, Muhammad Hunain Memon, Huabin Yu, Yuanmin Luo, Yang Kang, Wei Chen, Dong Li, Dongyang Luo, Shudan Xiao, Chengjie Zuo, Chen Gong, Chao Shen, Lan Fu, Boon S. Ooi, Sheng Liu & Haiding Sun

2.吳長(zhǎng)鋒. 用于光通信與光計(jì)算 我國(guó)在國(guó)際上首創(chuàng)新型場(chǎng)效應(yīng)調(diào)控光電二極管