P-N 二极管由两种不同掺杂的半导体材料——P 型和 N 型——结合而成，是一种两端器件。它只允许电流沿一个方向流动，这一特性在各类电子电路中至关重要。

传统 P-N 二极管通常只承担“单向导通”这一基本功能。若要实现计算、数据存储或特定信号检测等任务，就必须额外引入其他元件和电路模块。

中国科学技术大学与加拿大麦吉尔大学的研究人员近期提出了一种新型 P-N 二极管设计，在无需额外集成器件的前提下，就能在单个器件中同时实现三种功能。他们的成果发表在《自然电子学》期刊上，器件基于一维（1D）氮化镓（GaN）和铝镓氮（AlGaN）纳米线结构。

研究团队在论文中指出：“二端口 P-N 二极管是众多电子和光电子系统的基础单元。然而，其固有特性决定了它通常只能作为单功能器件使用。现有实现多功能的途径——例如采用三端或多端器件，或引入新材料体系——往往会增加硬件规模和处理复杂度。我们展示了一种能带结构工程方法，可用于制备同时具备光感应、存储和处理能力的 P-N 二极管。”

具备多重功能的纳米线二极管

在这项工作中，罗元敏、余华斌及其同事在硅基底上生长了细长的半导体纳米线，用以构建新型 P-N 二极管。纳米线由三段不同材料依次组成：P 型氮化镓（P-GaN）、N 型铝镓氮（N-AlGaN）和 N 型氮化镓（N-GaN）。其中，P 型半导体富含带正电的空穴，N 型半导体则富含带负电的电子。

研究人员通过精确设计各层材料的排列与能带结构，使中间的 AlGaN 层具有比两侧 GaN 层更大的带隙。这意味着电子要穿过 AlGaN 层需要更高能量，因此该层在结构中形成一个电子势垒，将电子局限在特定区域，构成一个“电子储存库”。

作者写道：“该二极管由垂直生长在硅基底上的 P-GaN/N-AlGaN/N-GaN 纳米线构成，其中 N 型 AlGaN 段较大的带隙在 GaN P-N 结中形成电子储存库。”

他们进一步指出：“嵌入的电子储存库结构，使得对电荷俘获与释放过程的精确调控超出了常规 P-N 结的工作模型，实现了偏压可调的光感应行为（响应度为 10.45 mA W⁻¹）、配对脉冲促进比高达 122% 的光突触行为，以及具备 8 个线性状态的光存储特性。”

迈向更小、更高效的电子器件

初步实验结果表明，这种新型二极管能够在单一器件中同时完成感知、数据处理和存储三项任务。基于该器件，罗元敏、余华斌及其团队构建了一种紧凑型图像传感器原型，能够对图像进行采集和分析，并有望扩展到其他应用场景。

研究人员写道：“我们展示了这种三合一二极管阵列可用于构建紧凑且节能的图像传感器，具备去噪和图像分类功能，而无需额外电路。”

未来，这一设计思路有望被推广，用于开发更多类似的纳米线二极管器件，使其在传感、存储和处理等方面实现深度集成。这类器件有可能成为面向特定应用场景的微型电子系统基础单元，为新一代小型化、高集成度电子设备的研发提供新的技术路径。

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