Diodos são dispositivos eletrônicos amplamente usados ​​que atuam como interruptores unidirecionais para a corrente. Um exemplo bem conhecido é o LED (diodo emissor de luz), mas existe uma classe especial de diodos projetados para fazer uso do fenômeno conhecido como "tunelamento quântico". Chamados de diodos de tunelamento ressonante (RTDs), eles estão entre os dispositivos semicondutores mais rápidos e são usados ​​em inúmeras aplicações práticas, como osciladores de alta frequência na banda terahertz, emissores de ondas, detectores de ondas, e portas lógicas, para citar apenas alguns exemplos. Os RTDs também são sensíveis à luz e podem ser usados ​​como fotodetectores ou elementos opticamente ativos em circuitos optoeletrônicos.

O tunelamento quântico (ou efeito túnel) é um fenômeno descrito pela mecânica quântica no qual as partículas são capazes de fazer a transição através de um estado de energia classicamente proibido. Em outras palavras, eles podem escapar de uma região cercada por uma barreira potencial, mesmo que sua energia cinética seja inferior à energia potencial da barreira.

"Os RTDs consistem em duas barreiras de potencial separadas por uma camada que forma um poço quântico. Essa estrutura é ensanduichada entre as extremidades formadas por ligas semicondutoras com alta concentração de cargas elétricas, que são acelerados quando uma tensão é colocada no RTD. O efeito túnel ocorre quando a energia nas cargas elétricas aceleradas pela aplicação da tensão coincide com o nível de energia quantizado no poço quântico. Conforme a tensão é aplicada, a energia dos elétrons retidos pela barreira aumenta, e em um nível específico, eles são capazes de cruzar a região proibida. Contudo, se uma tensão ainda maior for aplicada, os elétrons não podem mais passar porque sua energia excede a energia quantizada no poço, "disse Marcio Daldin Teodoro, professora do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), no estado de São Paulo, Brasil.

Teodoro foi o investigador principal de um estudo que determinou o acúmulo de carga e a dinâmica em RTDs em toda a faixa de tensão aplicada. Um artigo que descreve o estudo foi publicado na Physical Review Applied. O estudo foi financiado pela FAPESP por meio de quatro projetos (13 / 18719-1, 14 / 19142-2, 14 / 02112-3 e 18 / 01914-0).

"A operação de dispositivos baseados em RTD depende de vários parâmetros, como excitação de carga, acumulação e transporte, e as relações entre essas propriedades, "Teodoro disse." A densidade da portadora de carga nesses dispositivos sempre foi determinada antes e depois da área de ressonância, mas não na própria área de ressonância, que carrega as principais informações. Usamos espectroscopia avançada e técnicas de transporte eletrônico para determinar o acúmulo de carga e a dinâmica em todo o dispositivo. A assinatura do tunelamento é uma corrente de pico seguida por uma queda brusca para uma voltagem específica que depende das características estruturais do RTD. "

Campo magnético

Estudos anteriores mediram a densidade do portador de carga em função da voltagem usando a técnica de transporte magnético, que correlaciona a intensidade da corrente e o campo magnético. Contudo, ferramentas de transporte magnético podem não ser capazes de caracterizar o acúmulo de carga em toda a faixa operacional, e pode haver pontos cegos para determinados valores de tensão. Como resultado, os pesquisadores também usaram uma técnica chamada magnetoeletroluminescência, que investiga a emissão de luz induzida pela voltagem aplicada em função do campo magnético.

"A magnetoeletroluminescência nos permitiu estudar bandas de voltagem que eram pontos cegos de transporte de magneto. Os resultados combinaram em pontos onde a densidade de carga pode ser medida por ambas as técnicas, disse Edson Rafael Cardozo de Oliveira, primeiro autor do artigo. "Essas duas técnicas experimentais se mostraram complementares para uma investigação completa da densidade de carga em toda a faixa de tensão de operação do RTD."

Cardozo de Oliveira obteve um Ph.D. em física com Teodoro como orientador de sua tese, após um doutorado sanduíche na Alemanha no Departamento de Física Técnica da Universidade de Würzburg. Entre suas outras contribuições para o estudo estava escrever o software usado para processar a grande quantidade de dados, na ordem de gigabytes, produzidos pelos experimentos.

“O estudo pode orientar futuras pesquisas sobre RTDs, potencialmente levando à produção de dispositivos optoeletrônicos mais eficientes, "disse ele." Ao monitorar o acúmulo de carga em função da voltagem, será possível desenvolver novos RTDs com distribuição de carga otimizada para aumentar a eficiência da fotodetecção ou minimizar as perdas ópticas. "

Como os RTDs são estruturas tão complexas, saber como as cargas são distribuídas neles é importante. "Agora temos um mapa mais completo da distribuição de carga RTD, "disse Victor Lopez Richard, professora da UFSCar e coautora do artigo.

O artigo "Determinação da densidade e dinâmica de portadores via espectroscopia magneto-eletroluminescência em diodos de tunelamento ressonante"