Les diodes sont des dispositifs électroniques largement utilisés qui agissent comme des commutateurs unidirectionnels pour le courant. Un exemple bien connu est la LED (diode électroluminescente), mais il existe une classe spéciale de diodes conçues pour exploiter le phénomène connu sous le nom de " effet tunnel quantique ". Appelées diodes à effet tunnel (RTD), ils font partie des dispositifs semi-conducteurs les plus rapides et sont utilisés dans d'innombrables applications pratiques, tels que les oscillateurs haute fréquence dans la bande térahertz, émetteurs d'ondes, détecteurs d'ondes, et portes logiques, pour ne prendre que quelques exemples. Les RTD sont également sensibles à la lumière et peuvent être utilisés comme photodétecteurs ou éléments optiquement actifs dans les circuits optoélectroniques.

L'effet tunnel quantique (ou effet tunnel) est un phénomène décrit par la mécanique quantique dans lequel les particules sont capables de passer par un état d'énergie classiquement interdit. En d'autres termes, ils peuvent s'échapper d'une région entourée d'une barrière de potentiel même si leur énergie cinétique est inférieure à l'énergie potentielle de la barrière.

"Les RTD sont constitués de deux barrières de potentiel séparées par une couche qui forme un puits quantique. Cette structure est prise en sandwich entre des extrémités formées par des alliages semi-conducteurs à forte concentration de charges électriques, qui sont accélérés lorsqu'une tension est placée aux bornes du RTD. L'effet tunnel se produit lorsque l'énergie des charges électriques accélérées par l'application de la tension coïncide avec le niveau d'énergie quantifié dans le puits quantique. Lorsque la tension est appliquée, l'énergie des électrons retenus par la barrière augmente, et à un niveau précis, ils sont capables de traverser la région interdite. Cependant, si une tension encore plus élevée est appliquée, les électrons ne peuvent plus passer car leur énergie dépasse l'énergie quantifiée dans le puits, " a déclaré Marcio Daldin Teodoro, professeur au Département de Physique de l'Université Fédérale de São Carlos (UFSCar), dans l'état de São Paulo, Brésil.

Teodoro était le chercheur principal d'une étude qui a déterminé l'accumulation de charge et la dynamique dans les RTD dans toute la plage de tension appliquée. Un article décrivant l'étude est publié dans Physical Review Applied. L'étude a été soutenue par la FAPESP via quatre projets (13/18719-1, 14/19142-2, 14/02112-3 et 18/01914-0).

"Le fonctionnement des appareils basés sur RTD dépend de plusieurs paramètres, comme l'excitation de charge, accumulation et transport, et les relations entre ces propriétés, " a déclaré Teodoro. " La densité des porteurs de charge dans ces appareils a toujours été déterminée avant et après la zone de résonance, mais pas dans la zone de résonance elle-même, qui porte les informations clés. Nous avons utilisé des techniques avancées de spectroscopie et de transport électronique pour déterminer l'accumulation de charges et la dynamique dans tout l'appareil. La signature tunnel est un courant de crête suivi d'une chute brutale jusqu'à une tension spécifique qui dépend des caractéristiques structurelles du RTD."

Champ magnétique

Des études antérieures ont mesuré la densité des porteurs de charge en fonction de la tension en utilisant la technique de magnéto-transport, qui met en corrélation l'intensité du courant et le champ magnétique. Cependant, les outils de magnétotransport peuvent ne pas être en mesure de caractériser l'accumulation de charges sur toute la plage de fonctionnement, et il peut y avoir des angles morts pour certaines valeurs de tension. Par conséquent, les chercheurs ont également utilisé une technique appelée magnéto-électroluminescence, qui étudie l'émission lumineuse induite par la tension appliquée en fonction du champ magnétique.

"La magnéto-électroluminescence nous a permis d'étudier des bandes de tension qui étaient des angles morts de magnéto-transport. Les résultats concordaient aux points où la densité de charge peut être mesurée par les deux techniques, " a déclaré Edson Rafael Cardozo de Oliveira, premier auteur de l'article. "Ces deux techniques expérimentales se sont avérées complémentaires pour une étude complète de la densité de charge sur toute la plage de tension de fonctionnement du RTD."

Cardozo de Oliveira a obtenu un doctorat. en physique avec Teodoro comme directeur de thèse, après un doctorat en alternance en Allemagne au Département de physique technique de l'Université de Würzburg. Parmi ses autres contributions à l'étude figurait l'écriture du logiciel utilisé pour traiter l'énorme quantité de données, de l'ordre du gigaoctet, produites par les expériences.

"L'étude peut guider d'autres recherches sur les RTD, conduisant potentiellement à la production de dispositifs optoélectroniques plus efficaces, " dit-il. " En surveillant l'accumulation de charge en fonction de la tension, il sera possible de développer de nouveaux RTD avec une distribution de charge optimisée pour améliorer l'efficacité de la photodétection ou minimiser les pertes optiques."

Parce que les RTD sont des structures si complexes, savoir comment les charges y sont réparties est important. « Nous avons maintenant une carte plus complète de la répartition des charges RTD, " a déclaré Victor Lopez Richard, professeur à l'UFSCar et co-auteur de l'article.

L'article "Détermination de la densité et de la dynamique des porteurs par spectroscopie de magnéto-électroluminescence dans les diodes résonantes à tunnel"