提起二極管，你會想到什么？手機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應(yīng)用。作為電子電路的基礎(chǔ)元件，二極管就像一個單行道的“關(guān)卡”，只允許電流單方向通過（整流）。這個看似簡單的功能，卻在無數(shù)電子設(shè)備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
其實，二極管的潛力遠不止于此。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授 iGaN Lab 課題組、武漢大學(xué)劉勝院士及其團隊，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全新的高度。
本文以封面文章形式登上《自然-電子》（圖片來源：參考文獻 1）
“超級二極管”，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，同時還具備光電探測和邏輯運算的能力，真可謂“一石三鳥”！在一個二極管內(nèi)實現(xiàn)多種功能，這在以往是難以想象的。
這種“超級二極管”的核心，是一個氮化鎵基的 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 PN 結(jié)兩端加上正向電壓時，電子和空穴就會在交界處相遇，發(fā)生“復(fù)合”，從而產(chǎn)生電流，令電路導(dǎo)通。
如果這個復(fù)合過程釋放出光子，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“大塊頭”，電子要跨過它的能帶“鴻溝”需要更大的能量。
這賦予了氮化鎵諸多優(yōu)勢：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；它的禁帶寬度對應(yīng)著藍紫光到紫外光的波長，是制造短波長 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，形成一個完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)）。
憑借這些獨特的物理化學(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，做了一個看似小小的改動：在 PN 結(jié)的 p 型區(qū)域上方，添加了一個可獨立控制的第三電極。就是這個精巧的設(shè)計，讓二極管有了更多想象空間。
新型二極管示意圖（圖片來源：參考文獻 1）
通過施加不同電壓，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，進而調(diào)節(jié)器件的發(fā)光強度和探測靈敏度。更妙的是，兩個調(diào)控信號還能模擬邏輯門的輸入，讓二極管兼具邏輯運算的本領(lǐng)。
看到這兒，也許不少讀者已經(jīng)一頭霧水，開始打起退堂鼓了，先別急，我們接下來就用大家都能聽懂的語言，給大家把上面的話“翻譯”一遍。
“舞臺”升級“演播中心”
超級二極管本領(lǐng)獨到
在傳統(tǒng)的氮化鎵 LED 中，PN 結(jié)就像一個“雙人舞臺”，n 區(qū)的電子和 p 區(qū)的空穴在這里相遇、復(fù)合，同時釋放出光子，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)兩端的電壓來控制。電壓越高，電子和空穴“跳舞”的速度就越快，發(fā)光強度也就越大。但除了調(diào)節(jié)亮度外，這個“舞臺”似乎沒有什么別的功能。
中國科研人員的創(chuàng)新設(shè)計，卻讓這個“舞臺”有了新的本事。他們在 p 區(qū)上方，添加了一個獨立的第三電極。這個電極，就像一個“舞臺監(jiān)督”，可以在不影響 PN 結(jié)“表演”的同時，對“舞者”們進行額外的調(diào)控。
具體來說，當在第三電極上施加一個負電壓時，它就像一個“吸塵器”，可以將 p 區(qū)附近的空穴吸引過去。空穴的離去，就像舞臺上的“舞者”變少了，會使整個 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，其濃度的改變會顯著影響 PN 結(jié)的電學(xué)性質(zhì)。空穴濃度降低，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)光強度就會減弱。反之，如果在第三電極上施加正電壓，就會將更多空穴推向 p 區(qū)，增強 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，且能量損耗更低。
這還不是全部，第三電極的加入，讓它在光電探測方面有了新的應(yīng)用。當二極管工作在反向偏置時，PN 結(jié)內(nèi)部的電場可以將光生電子-空穴對分離，產(chǎn)生光電流，實現(xiàn)光信號的檢測。而第三電極可以通過調(diào)節(jié) p 區(qū)空穴濃度，來改變 PN 結(jié)內(nèi)建電場的強度，進而影響光電流的大小。這就相當于一個“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，當把第三電極和 PN 結(jié)看作一個整體時，這個器件居然還能模擬邏輯運算！想象一下，我們可以把施加在 PN 結(jié)兩端的電壓看作一個輸入信號，把第三電極的電壓看作另一個輸入信號，而將二極管的電流輸出看作邏輯結(jié)果。
通過巧妙地設(shè)計電路，調(diào)整兩個輸入信號的高低電平，就可以讓這個二極管執(zhí)行“與”“或”“非”等基本邏輯操作。這就相當于把一個單純的“舞臺”升級成了一個多功能的“演播中心”！
“超級二極管”的未來發(fā)展
當然，這項技術(shù)要走向應(yīng)用還有許多挑戰(zhàn)需要克服，比如進一步優(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，昭示著一個更加精彩的光電世界正在悄然來臨。
在這個世界里，發(fā)光、探測、運算不再涇渭分明，而是在一個器件內(nèi)完美融合、密切配合。我們有理由相信，這項突破性的研究成果，必將為未來的照明、顯示、通信、計算等領(lǐng)域帶來革命性的變革。
單一器件，多重功能。這不僅是一項技術(shù)創(chuàng)新，更代表了一種全新的思路。“三合一”的氮化鎵二極管告訴我們，只要巧妙設(shè)計，跨界融合，一個看似普通的器件，也能釋放出非凡的潛力。這也啟示我們，無論在科研還是在其他領(lǐng)域，打破固有的邊界，勇于開拓創(chuàng)新，總能帶來意想不到的驚喜。
參考文獻
[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]吳長鋒. 用于光通信與光計算 我國在國際上首創(chuàng)新型場效應(yīng)調(diào)控光電二極管
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出品丨科普中國
作者丨郭菲 煙臺大學(xué)
監(jiān)制丨中國科普博覽
摘自：科普中國
