Un estudio puede derivar en la producción de dispositivos electrónicos más eficientes

Los diodos de efecto túnel resonante se utilizan en osciladores de alta frecuencia, en emisores y detectores de ondas, en puertas lógicas, en fotodetectores y en circuitos optoelectrónicos. Esta investigación tuvo lugar en el marco de una colaboración entre científicos brasileños y alemanes

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los diodos son dispositivos electrónicos de vasta utilización en la actualidad. Su ejemplo de aplicación más conocido lo constituyen los ledes, los diodos emisores de luz (light-emitting diodes). Pero existen también diodos especiales, cuya especificidad consiste en funcionar con base en un fenómeno conocido con el nombre de “efecto túnel cuántico”. Son los llamados diodos de efecto túnel resonante (RTD, del inglés resonant tunneling diode), que se ubican entre los dispositivos más rápidos de la industria de semiconductores, con una gran variedad de aplicaciones prácticas, a ejemplo de los osciladores de alta frecuencia (en el rango de los terahercios), los emisores y los detectores de ondas, las puertas lógicas, etc. Asimismo, los RTD también son sensibles a la luz y pueden utilizarse como fotodetectores o elementos ópticamente activos en circuitos optoelectrónicos.

El efecto túnel es un fenómeno que se describe en la mecánica cuántica, en el cual las partículas pueden atravesar un estado de energía clásicamente prohibido. Esto quiere decir que pueden escapar de regiones rodeadas por barreras de potencial aun cuando su energía cinética sea menor que las energías potenciales de las barreras.

“Los RTD están formados por dos barreras de potencial separadas por una capa que forma un pozo cuántico. Esta estructura queda emparedada entre los extremos, formados por aleaciones semiconductoras con una alta concentración de cargas eléctricas, que se aceleran cuando se les aplica una tensión eléctrica. El efecto túnel se produce cuando la energía de las cargas eléctricas aceleradas por la aplicación del voltaje coincide con la energía del nivel cuantizado contenida dentro del pozo cuántico. A medida que se les aplica el voltaje, la energía de los electrones retenidos en la barrera aumenta. Y existe un valor específico en el cual los mismos logran atravesar la región prohibida. Sin embargo, si se les aplica un voltaje aún mayor, los electrones ya no logran pasar, pues su energía supera el valor cuantizado en el pozo”, dice Marcio Daldin Teodoro, docente del Departamento de Física de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en el estado de São Paulo, Brasil.

Daldin Teodoro coordinó un estudio en el cual se determinó la acumulación y la dinámica de las cargas en los RTD en todo el intervalo de voltaje aplicado. Los resultados del mismo salieron publicados en el periódico científico Physical Review Applied. Esta investigación contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de cuatro proyectos (13/18719-1, 14/19142-2, 14/02112-3 y 18/01914-0). 

“Los dispositivos basados en RTD dependen de diversos parámetros para su operación, entre los cuales se incluyen la excitación, la acumulación y el transporte de cargas, y la relación entre esas propiedades. Hasta ahora, la densidad de carga en esos dispositivos había sido determinada en la región anterior y en la región posterior al área de resonancia. Pero en la región de la resonancia en sí misma, que carga la información principal, aún no se la había determinado. Mediante técnicas espectroscópicas avanzadas y técnicas de transporte electrónico, logramos determinar la acumulación y la dinámica de las cargas en todo el dispositivo. La firma del efecto túnel es un pico de corriente eléctrica seguido de una caída brusca, a un valor específico de voltaje que depende de las características estructurales del RTD”, comenta Daldin Teodoro.

El campo magnético

La técnica de magnetotransporte, que correlaciona la intensidad de la corriente eléctrica con el campo magnético, era la que venía empleándose en los estudios anteriores para estimar la densidad de la carga en función del voltaje en determinadas regiones del RTD. Con todo, esta técnica posee el inconveniente de que tiene puntos ciegos para algunos valores de voltaje. Por este motivo, los investigadores utilizaron también una técnica denominada magnetoelectroluminiscencia, con la cual se explota la emisión de luz que induce el voltaje aplicado en función del campo magnético.

“La magnetoelectroluminiscencia permitió estudiar rangos de voltaje que constituían puntos ciegos con se aplicaba la técnica de magnetotransporte. En los puntos de intersección, donde es posible determinar la densidad de carga mediante ambas técnicas, los resultados coinciden. Por ende, esas dos técnicas experimentales se mostraron complementarias para la concreción de una investigación completa de la densidad de carga en todo el rango de voltaje operativo de los RTD”, afirma Edson Rafael Cardozo de Oliveira, autor principal del artículo.

Cardozo de Oliveira se doctoró en física bajo la dirección de Daldin Teodoro, tras pasar un período de doctorado sándwich en el Grupo de Física Técnica (Technische Physik) de la Universidad de Wurzburgo, en Alemania. Entre otros aportes que realizó al estudio, fue él quien creó el software para procesar la enorme cantidad de datos, del orden de los gigabytes, generados en los experimentos.

“Este trabajo puede orientar nuevas investigaciones enfocadas en la producción de RTD optoelectrónicos potencialmente más eficientes. Mediante el monitoreo de la acumulación de cargas en función del voltaje, será posible desarrollar nuevos RTD con una distribución de cargas optimizada, para aumentar la eficiencia de la fotodetección o minimizar las pérdidas ópticas”, comenta.

Como los RTD son estructuras bastante complejas, es importante saber de qué manera se distribuyen en ellas las cargas. “Ahora contamos con un mapeo más completo de la distribución de las mismas”, subraya Víctor Lopez Richard, docente de la UFSCar, quien también participó en la investigación.

Puede leerse el artículo intitulado Determination of Carrier Density and Dynamics via Magnetoelectroluminiscence Spectroscopy in Resonant-Tunneling Diodes en el siguiente enlace: journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.014042.