Diodes zijn veelgebruikte elektronische apparaten die fungeren als eenrichtingsschakelaars voor stroom. Een bekend voorbeeld is de LED (light-emitting diode), maar er is een speciale klasse diodes die is ontworpen om gebruik te maken van het fenomeen dat bekend staat als "quantumtunneling". Resonant-tunneling diodes (RTD's) genoemd, ze behoren tot de snelste halfgeleiderapparaten en worden in talloze praktische toepassingen gebruikt, zoals hoogfrequente oscillatoren in de terahertz-band, golfzenders, golf detectoren, en logische poorten, om slechts enkele voorbeelden te noemen. RTD's zijn ook gevoelig voor licht en kunnen worden gebruikt als fotodetectoren of optisch actieve elementen in opto-elektronische circuits.

Kwantumtunneling (of het tunneleffect) is een door de kwantummechanica beschreven fenomeen waarbij deeltjes in staat zijn om door een klassiek verboden energietoestand te gaan. Met andere woorden, ze kunnen ontsnappen uit een gebied dat wordt omgeven door een potentiële barrière, zelfs als hun kinetische energie lager is dan de potentiële energie van de barrière.

"RTD's bestaan ​​uit twee potentiële barrières gescheiden door een laag die een kwantumbron vormt. Deze structuur is ingeklemd tussen uiteinden gevormd door halfgeleiderlegeringen met een hoge concentratie elektrische ladingen, die worden versneld wanneer een spanning over de RTD wordt geplaatst. Het tunneleffect treedt op wanneer de energie in de elektrische ladingen die worden versneld door het aanleggen van de spanning samenvalt met het gekwantiseerde energieniveau in de kwantumput. Als de spanning wordt toegepast, de energie van de elektronen die door de barrière worden vastgehouden neemt toe, en op een bepaald niveau, ze kunnen het verboden gebied doorkruisen. Echter, als een nog hogere spanning wordt toegepast, de elektronen kunnen er niet meer doorheen omdat hun energie groter is dan de gekwantiseerde energie in de put, " zei Marcio Daldin Teodoro, een professor in de natuurkunde afdeling van de Federale Universiteit van São Carlos (UFSCar), in de staat São Paulo, Brazilië.

Teodoro was de hoofdonderzoeker van een onderzoek waarin de opbouw van lading en de dynamiek in RTD's over het gehele toegepaste spanningsbereik werden bepaald. Een paper waarin de studie wordt beschreven, is gepubliceerd in Physical Review Applied. De studie werd ondersteund door FAPESP via vier projecten (13/18719-1, 14/19142-2, 14/02112-3 en 18/01914-0).

"De werking van op RTD gebaseerde apparaten is afhankelijk van verschillende parameters, zoals ladingsexcitatie, accumulatie en transport, en de relaties tussen deze eigenschappen, "Zei Teodoro. "De ladingsdragerdichtheid in deze apparaten is altijd bepaald voor en na het resonantiegebied, maar niet in het resonantiegebied zelf, die de belangrijkste informatie bevat. We gebruikten geavanceerde spectroscopie en elektronische transporttechnieken om ladingsaccumulatie en dynamiek door het hele apparaat te bepalen. De tunnelsignatuur is een piekstroom gevolgd door een scherpe daling tot een specifieke spanning die afhangt van de structurele kenmerken van de RTD."

Magnetisch veld

Eerdere studies hebben de dichtheid van de ladingsdragers gemeten als een functie van de spanning met behulp van de magneto-transporttechniek, die de stroomsterkte en het magnetische veld correleert. Echter, magneto-transporttools zijn mogelijk niet in staat om ladingsaccumulatie over het hele werkbereik te karakteriseren, en er kunnen blinde vlekken zijn voor bepaalde spanningswaarden. Als resultaat, de onderzoekers gebruikten ook een techniek genaamd magneto-elektroluminescentie, die de lichtemissie onderzoekt die wordt veroorzaakt door de aangelegde spanning als functie van het magnetische veld.

"Magneto-elektroluminescentie stelde ons in staat spanningsbanden te bestuderen die blinde vlekken waren voor magnetotransport. De resultaten kwamen overeen op punten waar de ladingsdichtheid met beide technieken kan worden gemeten, " zei Edson Rafael Cardozo de Oliveira, eerste auteur van het artikel. "Deze twee experimentele technieken bleken complementair voor een volledig onderzoek van de ladingsdichtheid over het gehele RTD-bedrijfsspanningsbereik."

Cardozo de Oliveira behaalde een Ph.D. in de natuurkunde met Teodoro als zijn scriptieadviseur, na een sandwichdoctoraat in Duitsland aan de afdeling Technische Natuurkunde van de Universiteit van Würzburg. Een van zijn andere bijdragen aan de studie was het schrijven van de software die werd gebruikt om de enorme hoeveelheid gegevens te verwerken, in de orde van gigabytes, geproduceerd door de experimenten.

"De studie kan richtinggevend zijn voor verder onderzoek naar OTO's, mogelijk leidend tot de productie van efficiëntere opto-elektronische apparaten, " zei hij. "Door de ladingsopbouw als functie van de spanning te volgen, het zal mogelijk zijn om nieuwe RTD's te ontwikkelen met geoptimaliseerde ladingsverdeling om de efficiëntie van fotodetectie te verbeteren of optische verliezen te minimaliseren."

Omdat OTO's zulke complexe structuren zijn, weten hoe de kosten daarin worden verdeeld, is belangrijk. "We hebben nu een completere kaart van RTD-kostenverdeling, " zei Victor Lopez Richard, een professor bij UFSCar en een co-auteur van het papier.

Het artikel "Bepaling van dragerdichtheid en dynamica via magneto-elektroluminescentie spectroscopie in resonante tunneling diodes"