Los diodos son dispositivos electrónicos ampliamente utilizados que actúan como interruptores unidireccionales de corriente. Un ejemplo bien conocido es el LED (diodo emisor de luz), pero hay una clase especial de diodos diseñados para hacer uso del fenómeno conocido como "túnel cuántico". Diodos de efecto túnel resonantes (RTD), se encuentran entre los dispositivos semiconductores más rápidos y se utilizan en innumerables aplicaciones prácticas, como osciladores de alta frecuencia en la banda de terahercios, emisores de ondas, detectores de olas, y puertas lógicas, para tomar solo algunos ejemplos. Los RTD también son sensibles a la luz y se pueden utilizar como fotodetectores o elementos ópticamente activos en circuitos optoelectrónicos.

El efecto túnel cuántico (o efecto túnel) es un fenómeno descrito por la mecánica cuántica en el que las partículas pueden pasar a través de un estado de energía clásicamente prohibido. 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 potenciales separadas por una capa que forma un pozo cuántico. Esta estructura está intercalada entre extremos formados por aleaciones de semiconductores con una alta concentración de cargas eléctricas, que se aceleran cuando se coloca un voltaje a través del RTD. El efecto túnel ocurre cuando la energía en las cargas eléctricas aceleradas por la aplicación del voltaje coincide con el nivel de energía cuantificado en el pozo cuántico. A medida que se aplica el voltaje, aumenta la energía de los electrones retenidos por la barrera, y a un nivel específico, pueden cruzar la región prohibida. Sin embargo, si se aplica un voltaje aún mayor, los electrones ya no pueden pasar porque su energía excede la energía cuantificada en el pozo, "dijo Marcio Daldin Teodoro, profesor del Departamento de Física de la Universidad Federal de São 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 todo el rango de voltaje aplicado. Un artículo que describe el estudio se publica 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 parámetros, como la excitación de carga, acumulación y transporte, y las relaciones entre estas propiedades, "Dijo Teodoro." La densidad de portadores de carga en estos dispositivos siempre se ha determinado antes y después del área de resonancia, pero no en el área de resonancia en sí, que lleva la información clave. Utilizamos técnicas avanzadas de espectroscopia y transporte electrónico para determinar la acumulación de carga y la dinámica en todo el dispositivo. La firma del túnel es un pico de corriente seguido de una fuerte caída a un voltaje específico que depende de las características estructurales del RTD ".

Campo magnético

Estudios anteriores midieron la densidad del portador de carga en función del voltaje utilizando la técnica de magneto-transporte, que correlaciona la intensidad de la corriente y el campo magnético. Sin embargo, Es posible que las herramientas de magneto-transporte no puedan caracterizar la 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 magneto-electroluminiscencia, que investiga la emisión de luz inducida por la tensión aplicada en función del campo magnético.

"La magneto-electroluminiscencia nos permitió estudiar las bandas de voltaje que eran puntos ciegos del magneto-transporte. Los resultados coincidieron en puntos donde la densidad de carga se puede medir con ambas técnicas, "dijo Edson Rafael Cardozo de Oliveira, primer autor del artículo. "Estas dos técnicas experimentales resultaron complementarias para una investigación completa de la densidad de carga en todo el rango de voltaje operativo del RTD".

Cardozo de Oliveira obtuvo un Ph.D. en física con Teodoro como asesor de tesis, después de un doctorado sándwich en Alemania en el Departamento de Física Técnica de la Universidad de Würzburg. Entre sus otras contribuciones al estudio estaba la redacción del software utilizado para procesar la enorme cantidad de datos, del orden de gigabytes, producido por los experimentos.

"El estudio puede orientar la investigación adicional sobre IDT, potencialmente conduciendo a la producción de dispositivos optoelectrónicos más eficientes, ", dijo." Al monitorear la acumulación de carga en función del voltaje, será posible desarrollar RTD novedosos con una distribución de carga optimizada para mejorar la eficiencia de la fotodetección o minimizar las pérdidas ópticas ".

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

El artículo "Determinación de la densidad y la dinámica de los portadores mediante espectroscopía de magnetoelectroluminiscencia en diodos de efecto túnel resonantes"