Eletroluminescência em função do campo magnético a uma voltagem fixa de 3,4 volts. O quadro inserido na figura representa a estrutura do RTD, e a direção da voltagem e do campo magnético aplicados (imagem: Edson Rafael Cardozo de Oliveira)
Publicado em 12/04/2021
José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Diodos são dispositivos eletrônicos amplamente utilizados na atualidade. O exemplo mais conhecido é o LED (light-emitting diode), um diodo emissor de luz. Existe, porém, uma classe especial de diodos cuja especificidade é funcionar com base em um fenômeno conhecido como “tunelamento quântico”. Chamados de diodos de tunelamento ressonante (RTD, do inglês resonant tunneling diode), estão entre os dispositivos mais rápidos da indústria de semicondutores, com grande rol de aplicações práticas, tais como osciladores de alta frequência (na faixa do terahertz), emissores e detectores de ondas, portas lógicas etc. Além disso, os RTDs também são sensíveis à luz e podem ser utilizados como fotodetectores ou elementos opticamente ativos em circuitos optoeletrônicos.
O tunelamento quântico, ou efeito túnel, é um fenômeno descrito pela mecânica quântica no qual partículas podem transpor um estado de energia classicamente proibido. Isto é, podem escapar de regiões cercadas por barreiras de potencial mesmo que sua energia cinética seja menor do que as energias potenciais das barreiras.
“Os RTDs são formados por duas barreiras de potencial separadas por uma camada que forma um poço quântico. Esta estrutura é ensanduichada entre as extremidades, formadas por ligas semicondutoras com alta concentração de cargas elétricas, que são aceleradas quando uma tensão elétrica é aplicada. O efeito túnel ocorre quando a energia das cargas elétricas aceleradas pela aplicação da voltagem coincide com a energia do nível quantizado contido dentro do poço quântico. À medida que se aplica a voltagem, a energia dos elétrons retidos na barreira aumenta. E há um valor específico no qual eles conseguem atravessar a região proibida. Porém, se aplicamos uma voltagem ainda maior, os elétrons já não conseguem mais passar, porque sua energia ultrapassa o valor quantizado no poço”, diz Marcio Daldin Teodoro, professor do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).
Teodoro coordenou um estudo que determinou o acúmulo e a dinâmica das cargas nos RTDs em todo o intervalo de voltagem aplicado. Os resultados foram publicados no periódico Physical Review Applied. A pesquisa foi apoiada pela FAPESP por meio de quatro projetos (13/18719-1, 14/19142-2, 14/02112-3 e 18/01914-0).
“Os dispositivos baseados em RTDs dependem de vários parâmetros para sua operação, incluindo a excitação, o acúmulo e o transporte de cargas, e a relação entre essas propriedades. Até o momento, a densidade de carga nesses dispositivos era determinada nas regiões anterior e posterior à área de ressonância. Mas, na região da ressonância em si, que carrega as principais informações, ainda não havia sido determinada. Por meio de técnicas espectroscópicas avançadas e de técnicas de transporte eletrônico conseguimos determinar o acúmulo e a dinâmica das cargas em todo o dispositivo. A assinatura do tunelamento é um pico de corrente elétrica seguido por uma queda brusca, para um valor específico de voltagem que depende das características estruturais do RTD”, conta Teodoro.
Campo magnético
A técnica de magneto-transporte, que correlaciona a intensidade de corrente elétrica com o campo magnético, era a que vinha sendo empregada nos estudos anteriores para estimar a densidade de carga em função da voltagem em determinadas regiões do RTD. Porém, essa técnica tem o inconveniente de apresentar pontos cegos para alguns valores da voltagem. Por isso, os pesquisadores utilizaram também uma técnica chamada de magneto-eletroluminescência, que investiga a emissão de luz induzida pela voltagem aplicada em função do campo magnético.
“A magneto-eletroluminescência permitiu estudar faixas de voltagem que eram pontos cegos com a técnica de magneto-transporte. Nos pontos de intersecção, onde é possível determinar a densidade de carga por ambas as técnicas, os resultados coincidem. Portanto essas duas técnicas experimentais mostraram-se complementares para uma investigação completa da densidade de carga em toda a faixa de voltagem operacional dos RTDs”, afirma Edson Rafael Cardozo de Oliveira, autor principal do artigo.
Cardozo de Oliveira doutorou-se em física com orientação de Teodoro, depois de um período de doutorado-sanduíche no Grupo de Física Técnica (Technische Physik) da Universidade de Würzburg, na Alemanha. Entre outras contribuições ao estudo, foi ele quem criou o software para processar a enorme quantidade de dados, da ordem de gigabytes, gerados nos experimentos.
“Este trabalho pode guiar novas pesquisas para a produção de RTDs optoeletrônicos potencialmente mais eficientes. Por meio do monitoramento do acúmulo de cargas em função da voltagem, será possível desenvolver novos RTDs com distribuição de cargas otimizada, para aumentar a eficiência de fotodetecção ou minimizar perdas ópticas”, comenta.
Como os RTDs são estruturas bastante complexas, é importante saber como as cargas se distribuem nelas. “Temos agora um mapeamento mais completo da distribuição de cargas”, sublinha Victor Lopez Richard, professor da UFSCar, que também participou da pesquisa.
O artigo Determination of Carrier Density and Dynamics via Magnetoelectroluminescence Spectroscopy in Resonant-Tunneling Diodes pode ser lido em: https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.014042.
Fonte: https://agencia.fapesp.br/35570
