I diodi sono dispositivi elettronici ampiamente utilizzati che fungono da interruttori unidirezionali per la corrente. Un noto esempio è il LED (diodo ad emissione luminosa), ma esiste una classe speciale di diodi progettati per sfruttare il fenomeno noto come "tunnel quantistico". Chiamati diodi a tunnel risonante (RTD), sono tra i dispositivi a semiconduttore più veloci e sono utilizzati in innumerevoli applicazioni pratiche, come oscillatori ad alta frequenza nella banda terahertz, emettitori di onde, rilevatori di onde, e porte logiche, per fare solo alcuni esempi. Gli RTD sono anche sensibili alla luce e possono essere utilizzati come fotorivelatori o elementi otticamente attivi nei circuiti optoelettronici.

Il tunneling quantistico (o effetto tunnel) è un fenomeno descritto dalla meccanica quantistica in cui le particelle sono in grado di passare attraverso uno stato energetico classicamente proibito. In altre parole, possono sfuggire da una regione circondata da una potenziale barriera anche se la loro energia cinetica è inferiore all'energia potenziale della barriera.

"Le RTD sono costituite da due potenziali barriere separate da uno strato che forma un pozzo quantico. Questa struttura è racchiusa tra estremità formate da leghe semiconduttrici con un'alta concentrazione di cariche elettriche, che vengono accelerati quando viene posta una tensione attraverso l'RTD. L'effetto tunnel si verifica quando l'energia nelle cariche elettriche accelerate dall'applicazione della tensione coincide con il livello di energia quantizzata nel pozzo quantistico. Quando viene applicata la tensione, l'energia degli elettroni trattenuti dalla barriera aumenta, e a un livello specifico, sono in grado di attraversare la regione proibita. Però, se viene applicata una tensione ancora più alta, gli elettroni non possono più passare perché la loro energia supera l'energia quantizzata nel pozzo, " disse Marcio Daldin Teodoro, un professore nel Dipartimento di Fisica dell'Università Federale di São Carlos (UFSCar), nello stato di San Paolo, Brasile.

Teodoro è stato il ricercatore principale per uno studio che ha determinato l'accumulo di carica e la dinamica negli RTD in tutto l'intervallo di tensione applicata. Un documento che descrive lo studio è pubblicato su Physical Review Applied. Lo studio è stato sostenuto da FAPESP tramite quattro progetti (13/18719-1, 14/19142-2, 14/02112-3 e 18/01914-0).

"Il funzionamento dei dispositivi basati su RTD dipende da diversi parametri, come l'eccitazione della carica, accumulo e trasporto, e le relazioni tra queste proprietà, " ha detto Teodoro. "La densità dei portatori di carica in questi dispositivi è sempre stata determinata prima e dopo l'area di risonanza, ma non nell'area di risonanza stessa, che porta le informazioni chiave. Abbiamo utilizzato la spettroscopia avanzata e tecniche di trasporto elettronico per determinare l'accumulo di carica e la dinamica in tutto il dispositivo. La firma del tunneling è una corrente di picco seguita da un forte calo a una tensione specifica che dipende dalle caratteristiche strutturali dell'RTD".

Campo magnetico

Studi precedenti hanno misurato la densità dei portatori di carica in funzione della tensione utilizzando la tecnica del magneto-trasporto, che correla intensità di corrente e campo magnetico. Però, gli strumenti di trasporto magnetico potrebbero non essere in grado di caratterizzare l'accumulo di carica in tutto il range operativo, e possono esserci punti ciechi per determinati valori di tensione. Di conseguenza, i ricercatori hanno anche utilizzato una tecnica chiamata magneto-elettroluminescenza, che indaga l'emissione luminosa indotta dalla tensione applicata in funzione del campo magnetico.

"La magneto-elettroluminescenza ci ha permesso di studiare bande di tensione che erano punti ciechi di trasporto magnetico. I risultati corrispondevano a punti in cui la densità di carica può essere misurata con entrambe le tecniche, " disse Edson Rafael Cardozo de Oliveira, primo autore del saggio. "Queste due tecniche sperimentali si sono rivelate complementari per un'indagine completa sulla densità di carica nell'intero intervallo di tensione operativa dell'RTD".

Cardozo de Oliveira ha conseguito un dottorato di ricerca. in fisica con Teodoro come relatore di tesi, dopo un dottorato in sandwich in Germania presso il Dipartimento di Fisica Tecnica dell'Università di Würzburg. Tra gli altri suoi contributi allo studio c'era la scrittura del software utilizzato per elaborare l'enorme quantità di dati, nell'ordine dei gigabyte, prodotto dagli esperimenti.

"Lo studio può guidare ulteriori ricerche su RST, potenzialmente portando alla produzione di dispositivi optoelettronici più efficienti, " ha detto. " Monitorando l'accumulo di carica in funzione della tensione, sarà possibile sviluppare nuovi RTD con distribuzione di carica ottimizzata per migliorare l'efficienza del fotorilevamento o ridurre al minimo le perdite ottiche".

Poiché le RTD sono strutture così complesse, sapere come sono distribuite le cariche al loro interno è importante. "Ora abbiamo una mappa più completa della distribuzione della carica RTD, " ha detto Victor Lopez Richard, un professore all'UFSCar e coautore del documento.

L'articolo "Determinazione della densità e della dinamica dei portatori tramite spettroscopia magneto-elettroluminescenza in diodi di tunneling risonante"