Entendendo o funcionamento dos diodos de tunelamento quântico

Com informações da Agência Fapesp - 08/04/2021

Diagrama da eletroluminescência em função do campo magnético a uma tensão fixa de 3,4 volts - o quadro inserido no gráfico representa a estrutura do RTD.
[Imagem: Edson R. C. Oliveira]

Diodos túnel

Diodos são componentes eletrônicos utilizados em todos os aparelhos eletroeletrônicos, com a função de deixar a corrente elétrica passar somente num sentido, sem retornar.

Mas o exemplo mais conhecido de diodo é o que emite luz, o LED (light-emitting diode, ou diodo emissor de luz).

Existe, porém, uma classe especial de diodos cuja especificidade é funcionar com base em um fenômeno conhecido como tunelamento quântico, ou efeito túnel, um fenômeno pelo qual partículas subatômicas podem atravessar barreiras sólidas, algo impossível no mundo macro.

Os diodos de tunelamento ressonante (RTD, do inglês resonant tunneling diode) estão entre os componentes 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.

Dinâmica das cargas elétricas

Apesar de muito utilizados, a estrutura desses componentes é complexa, o que significa que seu funcionamento não é totalmente compreendido, dificultando seu aprimoramento e desenvolvimento para novos usos - por exemplo, não se conhecia até agora como as cargas elétricas se distribuem e se comportam ao longo de toda a estrutura do RTD.

"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 [este é o tunelamento quântico]. Porém, se aplicamos uma voltagem ainda maior, os elétrons já não conseguem mais passar, porque sua energia ultrapassa o valor quantizado no poço," descreve o professor Márcio Teodoro, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

Para entender tudo isso, Teodoro coordenou um estudo que determinou o acúmulo e a dinâmica das cargas nos RTDs em todo o intervalo de voltagem aplicado.

"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," contou Teodoro.

Os experimentos geraram uma quantidade enorme de dados, que precisaram de um software especial para serem analisados.
[Imagem: Edson R. C. Oliveira et al. - 10.1103/PhysRevApplied.15.014042]

Magneto-eletroluminescência

Até agora, os pesquisadores vinham usando a técnica de magneto-transporte - que correlaciona a intensidade da corrente elétrica com o campo magnético - 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, a equipe de Teodoro utilizou paralelamente uma técnica chamada de magneto-eletroluminescência, que analisa 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," detalhou o pesquisador Edson de Oliveira, responsável pelos experimentos.

Foi Edson 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," prevê o pesquisador.

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