提起二極管，你會想到什麽？手機充電器上閃爍的小燈？遙控器前端的紅外「眼睛」？這些都是二極管在日常生活中的常見套用。作為電子電路的基礎元件，二極管就像一個單行道的「關卡」，只允許電流單方向透過（整流）。這個看似簡單的功能，卻在無數電子器材中發揮著關鍵作用。
其實，二極管的潛力遠不止於此。中國科學技術大學孫海定教授iGaN Lab課題組、武漢大學劉勝院士及其團隊，最新研制出一種多功能的光電二極管，將二極管的套用前景提升到了一個全新的高度。
本文以封面文章形式登上【自然-電子】
（圖片來源：參考文獻1）
「超級二極管」，心臟還是PN結
這種新型多功能二極管，不僅能像普通二極管那樣整流，還能像發光二極管(LED)一樣發光，同時還具備光電探測和邏輯運算的能力，真可謂「一石三鳥」！在一個二極管內實作多種功能，這在以往是難以想象的。
這種「超級二極管」的核心，是一個氮化鎵基的PN結。眾所周知，PN結是二極管的「心臟」，由p型和n型兩種半導體構成。當PN結兩端加上正向電壓時，電子和電洞就會在交界處相遇，發生「復合」，從而產生電流，令電路導通。
如果這個復合過程釋放出光子，PN結就變成了發光二極管，能將電能轉化為光能。而氮化鎵，正是一種天生適合做LED的材料。
三種顏色的LED
（圖片來源：維基百科）
氮化鎵是一種新興的寬禁帶半導體，與傳統的矽、鍺相比，它就像一個「大塊頭」，電子要跨過它的能帶「鴻溝」需要更大的能量。
這賦予了氮化鎵諸多優勢：它能承受更高的電壓、溫度和頻率，適合制造高功率、高頻、高溫的器件；它的禁頻寬度對應著藍紫光到紫外光的波長，是制造短波長LED和激光器的理想材料；它能與多種元素形成能帶可調的化合物，方便實作單片整合（在同一塊半導體材料上整合多種功能器件，形成一個完整的系統或子系統）。
憑借這些獨特的物理化學性質，氮化鎵在照明、顯示、通訊、電力電子等領域大放異彩，被譽為第三代半導體的「明星」。
而這次，科研人員基於氮化鎵LED，做了一個看似小小的改動：在PN結的p型區域上方，添加了一個可獨立控制的第三電極。就是這個精巧的設計，讓二極管有了更多想象空間。
新型二極管示意圖
（圖片來源：參考文獻1）
透過施加不同電壓，調控電極與p區的接觸，就能控制PN結區域的載流子濃度，進而調節器件的發光強度和探測靈敏度。更妙的是，兩個調控訊號還能模擬邏輯門的輸入，讓二極管兼具邏輯運算的本領。
看到這兒，也許不少讀者已經一頭霧水，開始打起退堂鼓了，先別急，我們接下來就用大家都能聽懂的語言，給大家把上面的話「轉譯」一遍。
「舞台」升級「演播中心」，超級二極管本領獨到
在傳統的氮化鎵LED中，PN結就像一個「雙人舞台」，n區的電子和p區的電洞在這裏相遇、復合，同時釋放出光子，宏觀上表現為發出亮光。
而這支「舞蹈」的節奏，主要由施加在PN結兩端的電壓來控制。電壓越高，電子和電洞「跳舞」的速度就越快，發光強度也就越大。但除了調節亮度外，這個「舞台」似乎沒有什麽別的功能。
中國科研人員的創新設計，卻讓這個「舞台」有了新的本事。他們在p區上方，添加了一個獨立的第三電極。這個電極，就像一個「舞台監督」，可以在不影響PN結「表演」的同時，對「舞者」們進行額外的調控。
具體來說，當在第三電極上施加一個負電壓時，它就像一個「吸塵器」，可以將p區附近的電洞吸引過去。電洞的離去，就像舞台上的「舞者」變少了，會使整個p區的電洞濃度下降。
而電洞，作為p區的多數載流子，其濃度的改變會顯著影響PN結的電學性質。電洞濃度降低，意味著p區的導電性變差，PN結的電阻增大，電子和電洞「相遇」的概率降低，發光強度就會減弱。反之，如果在第三電極上施加正電壓，就會將更多電洞推向p區，增強PN結的發光。
調節第三電極雖然和調節整體電壓取得的效果類似，但是它的調控效果更加精準，且能量損耗更低。
這還不是全部，第三電極的加入，讓它在光電探測方面有了新的套用。當二極管工作在反向偏置時，PN結內部的電場可以將光生電子-電洞對分離，產生光電流，實作光訊號的檢測。而第三電極可以透過調節p區電洞濃度，來改變PN結內建電場的強度，進而影響光電流的大小。這就相當於一個「變焦鏡頭」，可以根據需要調節二極管的光電響應靈敏度。
更令人驚嘆的是，當把第三電極和PN結看作一個整體時，這個器件居然還能模擬邏輯運算！想象一下，我們可以把施加在PN結兩端的電壓看作一個輸入訊號，把第三電極的電壓看作另一個輸入訊號，而將二極管的電流輸出看作邏輯結果。
透過巧妙地設計電路，調整兩個輸入訊號的高低電平，就可以讓這個二極管執行「與」「或」「非」等基本邏輯操作。這就相當於把一個單純的「舞台」升級成了一個多功能的「演播中心」！
「超級二極管」的未來發展
當然，這項技術要走向套用還有許多挑戰需要克服，比如進一步最佳化器件效能，提高制造工藝的可靠性和一致性等。但毋庸置疑的是，這種多功能氮化鎵二極管的面世，昭示著一個更加精彩的光電世界正在悄然來臨。
在這個世界裏，發光、探測、運算不再涇渭分明，而是在一個器件內完美融合、密切配合。我們有理由相信，這項突破性的研究成果，必將為未來的照明、顯示、通訊、計算等領域帶來革命性的變革。
單一器件，多重功能。這不僅是一項技術創新，更代表了一種全新的思路。「三合一」的氮化鎵二極管告訴我們，只要巧妙設計，跨界融合，一個看似普通的器件，也能釋放出非凡的潛力。這也啟示我們，無論在科研還是在其他領域，打破固有的邊界，勇於開拓創新，總能帶來意想不到的驚喜。
參考文獻：
-
A three-terminal light emitting and detecting diode, Muhammad Hunain Memon, Huabin Yu, Yuanmin Luo, Yang Kang, Wei Chen, Dong Li, Dongyang Luo, Shudan Xiao, Chengjie Zuo, Chen Gong, Chao Shen, Lan Fu, Boon S. Ooi, Sheng Liu & Haiding Sun
-
吳長鋒. 用於光通訊與光計算 中國在國際上首創新型場效應調控光電二極管
出品：科普中國
作者：郭菲（煙台大學）
監制：中國科普博覽
