Los diodos geométricos , también conocidos como diodos morfológicos, utilizan la forma de su estructura y el transporte de electrones balístico / cuasibalístico para crear un comportamiento de diodo. Los diodos geométricos se diferencian de todas las demás formas de diodos porque no dependen de una región de agotamiento o una barrera de potencial para crear su comportamiento de diodo. En lugar de una barrera de potencial, una asimetría en la geometría del material (que es del orden del camino libre medio del portador de carga) crea una asimetría en la corriente de polarización directa e inversa (también conocido como diodo).
Los diodos geométricos se forman a partir de un material continuo (añadiendo una salvedad para los gases de electrones 2D que son sistemas en capas) que tiene una asimetría en la estructura del orden del tamaño del camino libre medio (MFP) del portador de carga. Los MFP típicos a temperatura ambiente varían desde nanómetros de un solo dígito para metales [1] hasta decenas o cientos de nm para semiconductores [2] , e incluso >1 micrómetro en sistemas seleccionados [3] [4] . Esto significa que para crear un diodo geométrico, uno debe usar un material de alto MFP o tener un proceso de fabricación que tenga precisión nanométrica para crear las geometrías relevantes.
Los diodos geométricos son dispositivos portadores mayoritarios que no necesitan una barrera de potencial. El comportamiento del diodo proviene de una asimetría en la forma de la estructura (como se muestra en la figura). En términos simples, los diodos geométricos pueden considerarse como embudos o trampas para langostas para cargas; en una dirección es relativamente fácil que fluyan las cargas, y en la dirección inversa es más difícil.
Además, es ideal tener una reflexión especular de los portadores de carga en la superficie de la estructura; sin embargo, esto no es tan crítico como ser lo suficientemente pequeño como para estar en un régimen balístico.
Debido a que todos los demás diodos crean asimetría en el flujo de corriente a través de alguna forma de barrera de potencial, necesariamente tienen algún grado de voltaje de activación . Los diodos geométricos podrían alcanzar teóricamente un voltaje de activación de polarización cero debido a su falta de barrera de potencial. Con un voltaje de activación de polarización cero, no hay polarización de CC que deba suministrarse al dispositivo; por lo tanto, los diodos geométricos podrían reducir en gran medida la potencia necesaria para operar un dispositivo. Esto también podría ser beneficioso ya que los diodos serían más sensibles a señales pequeñas. Por supuesto, esto es teórico, y los diodos verdaderamente de polarización cero pueden tener limitaciones para ser realizados experimentalmente.
Una segunda ventaja importante también se deriva de su falta de barrera de potencial y portadores minoritarios. Una barrera de potencial es una gran fuente de capacitancia en un diodo. La capacitancia sirve para disminuir la respuesta de frecuencia de un diodo al aumentar su tiempo RC . La falta de barrera de potencial en los diodos geométricos significa que pueden tener una capacitancia ultrabaja de hasta attofaradios . [5] La respuesta de frecuencia de un diodo geométrico está limitada no por el tiempo RC o la movilidad de los portadores minoritarios, sino por el tiempo de vuelo de los portadores de carga a través de la asimetría estructural. [6] Por lo tanto, los diodos geométricos pueden lograr una respuesta de frecuencia en los THz. [5]
La capacidad de que las propiedades electrónicas de un diodo geométrico se ajusten a la geometría de la estructura, el revestimiento de la superficie de la estructura y las propiedades del material utilizado ofrecen un nivel de personalización que no se logra en ningún otro sistema de diodos.
Los principios aprendidos de los diodos geométricos y los sistemas balísticos se utilizarán para comprender la tecnología a medida que los dispositivos se vuelven cada vez más pequeños y existen en los MFP del portador de carga o por debajo de ellos.
Los mismos beneficios de la falta de barrera de potencial también tienen su parte de desventajas. La principal es que la corriente de polarización inversa de un diodo geométrico puede ser bastante alta (entre tres y menos de un orden de magnitud menor que la corriente de polarización directa). Sin embargo, dependiendo de la aplicación, se puede tolerar una polarización inversa alta.
Los diodos geométricos suelen ser de escala nanométrica, por lo que necesariamente tienen resistencias elevadas. Sin embargo, según el proceso de fabricación, esto se puede mitigar conectando muchos diodos en paralelo.
Tal vez el mayor obstáculo que deben superar los diodos geométricos sea la fiabilidad de su fabricación y la capacidad de ampliar su escala. Los diodos geométricos suelen fabricarse mediante métodos de nanofabricación que no se pueden ampliar fácilmente, pero con la creciente resolución de la fotolitografía esto puede no ser un problema por mucho tiempo.
Los diodos geométricos están vinculados a los fenómenos de los trinquetes electrónicos , y sus historias están entremezcladas. [7] [8]
Los primeros trabajos sobre diodos geométricos utilizaban gases de electrones 2D (2DEG) a temperaturas criogénicas porque estos sistemas materiales tienen un portador de carga MFP muy largo. [9] [10] Una de las estructuras más estudiadas es una geometría de cuatro terminales que tenía un solo antídoto en el centro o una matriz de antídotos que fuerza las cargas hacia abajo en lugar de hacia arriba cuando se suministra corriente desde la izquierda o la derecha. [11] Este sistema se demostró inicialmente a temperaturas criogénicas, [9] [12] [13] pero luego pudo operar a temperatura ambiente [14] y rectificar señales de 50 GHz. [14]
También se han creado geometrías de cuatro terminales en grafeno y funcionan a temperatura ambiente. [15] [16] Además, en 2013 se demostró una geometría diferente, de dos terminales, que se asemeja al esquema geométrico simple del diodo. [5] Diseño óptimo para el diodo balístico basado en transistores de efecto de campo de grafeno en 2021 por Van Huy Nguyen. [17] Este trabajo mostró velocidades de rectificación a frecuencias de THz.
En abril de 2020, se demostró que los diodos geométricos formados a partir de nanocables de silicio grabados funcionaban a temperatura ambiente. [6] Este trabajo destaca la capacidad de ajuste de los diodos geométricos al estudiar en profundidad los efectos de la geometría en las propiedades electrónicas del diodo. El trabajo también demostró la rectificación hasta una frecuencia de 40 GHz limitada por el instrumento.