提起二极管，你会想到什么？手机充电器上闪烁的小灯？遥控器前端的红外“眼睛”？这些都是二极管在日常生活中的常见应用。作为电子电路的基础元件，二极管就像一个单行道的“关卡”，只允许电流单方向通过（整流）。这个看似简单的功能，却在无数电子设备中发挥着关键作用。
其实，二极管的潜力远不止于此。中国科学技术大学孙海定教授 iGaN Lab 课题组、武汉大学刘胜院士及其团队，最新研制出一种多功能的光电二极管，将二极管的应用前景提升到了一个全新的高度。
本文以封面文章形式登上《自然-电子》（图片来源：参考文献 1）“超级二极管”，心脏还是 PN 结
这种新型多功能二极管，不仅能像普通二极管那样整流，还能像发光二极管（LED）一样发光，同时还具备光电探测和逻辑运算的能力，真可谓“一石三鸟”！在一个二极管内实现多种功能，这在以往是难以想象的。
这种“超级二极管”的核心，是一个氮化镓基的 PN 结。众所周知，PN 结是二极管的“心脏”，由 p 型和 n 型两种半导体构成。当 PN 结两端加上正向电压时，电子和空穴就会在交界处相遇，发生“复合”，从而产生电流，令电路导通。
如果这个复合过程释放出光子，PN 结就变成了发光二极管，能将电能转化为光能。而氮化镓，正是一种天生适合做 LED 的材料。
三种颜色的 LED。图片来源：维基百科氮化镓是一种新兴的宽禁带半导体，与传统的硅、锗相比，它就像一个“大块头”，电子要跨过它的能带“鸿沟”需要更大的能量。
这赋予了氮化镓诸多优势：它能承受更高的电压、温度和频率，适合制造高功率、高频、高温的器件；它的禁带宽度对应着蓝紫光到紫外光的波长，是制造短波长 LED 和激光器的理想材料；它能与多种元素形成能带可调的化合物，方便实现单片集成（在同一块半导体材料上集成多种功能器件，形成一个完整的系统或子系统）。
凭借这些独特的物理化学性质，氮化镓在照明、显示、通信、电力电子等领域大放异彩，被誉为第三代半导体的“明星”。
而这次，科研人员基于氮化镓 LED，做了一个看似小小的改动：在 PN 结的 p 型区域上方，添加了一个可独立控制的第三电极。就是这个精巧的设计，让二极管有了更多想象空间。
新型二极管示意图（图片来源：参考文献 1）通过施加不同电压，调控电极与 p 区的接触，就能控制 PN 结区域的载流子浓度，进而调节器件的发光强度和探测灵敏度。更妙的是，两个调控信号还能模拟逻辑门的输入，让二极管兼具逻辑运算的本领。
看到这儿，也许不少读者已经一头雾水，开始打起退堂鼓了，先别急，我们接下来就用大家都能听懂的语言，给大家把上面的话“翻译”一遍。
“舞台”升级“演播中心”
超级二极管本领独到
在传统的氮化镓 LED 中，PN 结就像一个“双人舞台”，n 区的电子和 p 区的空穴在这里相遇、复合，同时释放出光子，宏观上表现为发出亮光。
而这支“舞蹈”的节奏，主要由施加在 PN 结两端的电压来控制。电压越高，电子和空穴“跳舞”的速度就越快，发光强度也就越大。但除了调节亮度外，这个“舞台”似乎没有什么别的功能。
中国科研人员的创新设计，却让这个“舞台”有了新的本事。他们在 p 区上方，添加了一个独立的第三电极。这个电极，就像一个“舞台监督”，可以在不影响 PN 结“表演”的同时，对“舞者”们进行额外的调控。
具体来说，当在第三电极上施加一个负电压时，它就像一个“吸尘器”，可以将 p 区附近的空穴吸引过去。空穴的离去，就像舞台上的“舞者”变少了，会使整个 p 区的空穴浓度下降。
而空穴，作为 p 区的多数载流子，其浓度的改变会显著影响 PN 结的电学性质。空穴浓度降低，意味着 p 区的导电性变差，PN 结的电阻增大，电子和空穴“相遇”的概率降低，发光强度就会减弱。反之，如果在第三电极上施加正电压，就会将更多空穴推向 p 区，增强 PN 结的发光。
调节第三电极虽然和调节整体电压取得的效果类似，但是它的调控效果更加精准，且能量损耗更低。
这还不是全部，第三电极的加入，让它在光电探测方面有了新的应用。当二极管工作在反向偏置时，PN 结内部的电场可以将光生电子-空穴对分离，产生光电流，实现光信号的检测。而第三电极可以通过调节 p 区空穴浓度，来改变 PN 结内建电场的强度，进而影响光电流的大小。这就相当于一个“变焦镜头”，可以根据需要调节二极管的光电响应灵敏度。
更令人惊叹的是，当把第三电极和 PN 结看作一个整体时，这个器件居然还能模拟逻辑运算！想象一下，我们可以把施加在 PN 结两端的电压看作一个输入信号，把第三电极的电压看作另一个输入信号，而将二极管的电流输出看作逻辑结果。
通过巧妙地设计电路，调整两个输入信号的高低电平，就可以让这个二极管执行“与”“或”“非”等基本逻辑操作。这就相当于把一个单纯的“舞台”升级成了一个多功能的“演播中心”！
“超级二极管”的未来发展
当然，这项技术要走向应用还有许多挑战需要克服，比如进一步优化器件性能，提高制造工艺的可靠性和一致性等。但毋庸置疑的是，这种多功能氮化镓二极管的面世，昭示着一个更加精彩的光电世界正在悄然来临。
在这个世界里，发光、探测、运算不再泾渭分明，而是在一个器件内完美融合、密切配合。我们有理由相信，这项突破性的研究成果，必将为未来的照明、显示、通信、计算等领域带来革命性的变革。
单一器件，多重功能。这不仅是一项技术创新，更代表了一种全新的思路。“三合一”的氮化镓二极管告诉我们，只要巧妙设计，跨界融合，一个看似普通的器件，也能释放出非凡的潜力。这也启示我们，无论在科研还是在其他领域，打破固有的边界，勇于开拓创新，总能带来意想不到的惊喜。
