新研究！中國科學家研製“超級二極管”，將帶來革命性變革
提起二極管，你會想到什麼？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用。作為電子電路的基礎元件，二極管就像一個單行道的“關卡”，只允許電流單方向通過（整流）。這個看似簡單的功能，卻在無數電子設備中發揮著關鍵作用。
其實，二極管的潛力遠不止於此。中國科學技術大學孫海定教授 iGaN Lab 課題組、武漢大學劉勝院士及其團隊，最新研製出一種多功能的光電二極管，將二極管的應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
這種新型多功能二極管，不僅能像普通二極管那樣整流，還能像發光二極管（LED）一樣發光，同時還具備光電探測和邏輯運算的能力，真可謂“一石三鳥”！在一個二極管內實現多種功能，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。眾所周知，PN 結是二極管的“心臟”，由 p 型和 n 型兩種半導體構成。當 PN 結兩端加上正向電壓時，電子和空穴就會在交界處相遇，發生“複合”，從而產生電流，令電路導通。
如果這個複合過程釋放出光子，PN 結就變成了發光二極管，能將電能轉化為光能。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體，與傳統的硅、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勢：它能承受更高的電壓、溫度和頻率，適合製造高功率、高頻、高溫的器件；它的禁帶寬度對應著藍紫光到紫外光的波長，是製造短波長 LED 和激光器的理想材料；它能與多種元素形成能帶可調的化合物，方便實現單片集成（在同一塊半導體材料上集成多種功能器件，形成一個完整的系統或子系統）。
憑藉這些獨特的物理化學性質，氮化鎵在照明、顯示、通信、電力電子等領域大放異彩，被譽為第三代半導體的“明星”。
而這次，科研人員基於氮化鎵 LED，做了一個看似小小的改動：在 PN 結的 p 型區域上方，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，調控電極與 p 區的接觸，就能控制 PN 結區域的載流子濃度，進而調節器件的發光強度和探測靈敏度。更妙的是，兩個調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。
看到這兒，也許不少讀者已經一頭霧水，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”
超級二極管本領獨到
在傳統的氮化鎵 LED 中，PN 結就像一個“雙人舞臺”，n 區的電子和 p 區的空穴在這裡相遇、複合，同時釋放出光子，宏觀上表現為發出亮光。
而這支“舞蹈”的節奏，主要由施加在 PN 結兩端的電壓來控制。電壓越高，電子和空穴“跳舞”的速度就越快，發光強度也就越大。但除了調節亮度外，這個“舞臺”似乎沒有什麼別的功能。
中國科研人員的創新設計，卻讓這個“舞臺”有了新的本事。他們在 p 區上方，添加了一個獨立的第三電極。這個電極，就像一個“舞臺監督”，可以在不影響 PN 結“表演”的同時，對“舞者”們進行額外的調控。
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 區的空穴濃度下降。
而空穴，作為 p 區的多數載流子，其濃度的改變會顯著影響 PN 結的電學性質。空穴濃度降低，意味著 p 區的導電性變差，PN 結的電阻增大，電子和空穴“相遇”的概率降低，發光強度就會減弱。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，增強 PN 結的發光。
調節第三電極雖然和調節整體電壓取得的效果類似，但是它的調控效果更加精準，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用。當二極管工作在反向偏置時，PN 結內部的電場可以將光生電子-空穴對分離，產生光電流，實現光信號的檢測。而第三電極可以通過調節 p 區空穴濃度，來改變 PN 結內建電場的強度，進而影響光電流的大小。這就相當於一個“變焦鏡頭”，可以根據需要調節二極管的光電響應靈敏度。
更令人驚歎的是，當把第三電極和 PN 結看作一個整體時，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果。
通過巧妙地設計電路，調整兩個輸入信號的高低電平，就可以讓這個二極管執行“與”“或”“非”等基本邏輯操作。這就相當於把一個單純的“舞臺”升級成了一個多功能的“演播中心”！
“超級二極管”的未來發展
當然，這項技術要走向應用還有許多挑戰需要克服，比如進一步優化器件性能，提高製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。
在這個世界裡，發光、探測、運算不再涇渭分明，而是在一個器件內完美融合、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。這不僅是一項技術創新，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域，打破固有的邊界，勇於開拓創新，總能帶來意想不到的驚喜。
參考文獻
出品丨科普中國
作者丨郭菲 煙臺大學
監製丨中國科普博覽
責編丨楊雅萍
審校丨徐來、林林
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