Tunneling har nøglen til højhastighedsmodulation af transistor- og laserudvikling

I 2004 elektriske pionerer Nick Holonyak, Jr. og Milton Feng ved University of Illinois opfandt transistorlaseren-en enhed med tre porte, der inkorporerede kvantebrønde i basen og et optisk hulrum-hvilket øgede dets kapacitet til at overføre data hundrede gange. To nylige undersøgelser foretaget af forskerne forventes at påvirke transistorens fundamentale modulationsbåndbredde og laseroperationen væsentligt for energieffektiv højhastigheds dataoverførsel i optisk og 5G trådløs kommunikation.

"Transistoren (punktkontakt) opfundet af John Bardeen og Walter Brattain i 1947 afslørede principperne for emitterstrømindsprøjtning, basen elektron-hul rekombination, og kollektorstrømudgangen." forklarede Milton Feng, Holonyak -formand, professor emeritus i el- og computerteknik i Illinois. "Den tre-terminal transistor erstattede det skrøbelige vakuumrør til hurtig pålidelig elektrisk signalskift og forstærkning, og har muliggjort en revolution inden for moderne elektronik, kommunikation, og computerteknologi. "

"Vi er især taknemmelige over for John Bardeen for at bringe transistorforskning til Urbana i 1951, og ændrer hele vores liv på verdensplan med den nye kvantefysik og solid state-enheder, "sagde Nick Holonyak Jr., Bardeens første kandidatstuderende og nuværende Bardeen -formand, professor emeritus i el- og computerteknik og fysik. I 2004 Feng og Holonyak indså, at den strålende rekombinationsenergi (lys) i bunden af ​​en III-V heterojunction bipolar transistor kunne moduleres til at være et signal og en tre-port-enhed, der kan udnytte den indviklede fysik mellem elektroner og lys.

"Den hurtigste måde for strøm til at skifte i et halvledermateriale er ved, at elektronerne hopper mellem bånd i materialet i en proces kaldet tunneling, "Sagde Feng." Lysfotoner hjælper med at transportere elektronerne over, en proces kaldet intra-cavity foton-assisteret tunneling, gør enheden meget hurtigere. "

Lasertransistoren adskiller sig fra Bardeen- og Brattain-transistoren, hvor den aktuelle forstærkning er afhængig af forholdet mellem basiselektronhullets (e-h) spontane rekombinationslevetid og emitter-kollektortransitiden. Feng og Holonyak transistor laserstrømforstærkning afhænger af basis (e-h) stimuleret rekombination, den basale dielektriske afslapningstransport, og samleren stimulerede tunneling.

I to nyere aviser, offentliggjort i Journal of Applied Physics , Feng-sammen med Holonyak og kandidatforskere Junyi Qiu og Curtis Wang-har fastlagt driftsprincipperne for tunnelmodulering af en kvantbrøndtransistorraser med strømforstærkning og optisk output via foton-assisteret tunneling inden for hulrum.

"Vi betragter disse to papirer relateret til tunnelmodulering inden for hulrum af transistoren vil ændre transistorens og lasermodulationens grundlæggende hastighedsdrift, " sagde Feng.

I deres artikel, "Tunnelmodulering af en kvantebrøndtransistorlaser, "forfatterne forklarer, at stimuleret e-h-rekombination, der opererer under indflydelse af kvantebrøndassistance i basen, og stimuleret optisk modulering under påvirkning af intra-cavity foton-assisteret tunneling (ICPAT) ved kollektoren. Forfatterne kaldte deres nye og nye idé som "Feng-Holonyak Intra-Cavity Photon-Assisted Tunneling (FH-ICPAT)."

"Tunnelforstærkningsmekanismen er resultatet af de unikke transistorlaserbasetransportegenskaber under påvirkning af FH-ICPAT og basisdielektrisk afslapning, som giver hurtig transportørbasetransport og hurtig rekombination end den originale Bardeen -transistor, " forklarede Wang. "Spændingen og strømafhængigheden af ​​tunnelstrømforstærkningen og optisk modulation er blevet afsløret i detaljer. Selv om analysen udføres for transistorlaserens intra-hulrums foton-assisteret tunneling, betjeningsmekanismen bør generelt gælde for tunneling af kollektortransistorer i forskellige designkonfigurationer. "

I en ledsager AIP artikel ("Intra-cavity foton-assisteret tunneling samler-base spændingsmedieret elektronhul spontant stimuleret rekombination transistor laser, "Forfatterne forklarede, hvordan optisk absorption og modulering i en p-n-forbindelsesdiode til en halvleder med direkte mellemrum kan forbedres ved hjælp af fotonassisteret tunneling i nærvær af optisk hulrum og fotonfelt i en transistorlaser.

"I transistorlaseren, de koherente fotoner, der genereres ved basiskvantbrønden, interagerer med kollektorfeltet og 'hjælper' elektronisk hulrumselektron-tunnel fra basens valensbånd til energitilstandens ledningsbånd i kollektoren, " Feng forklaret. "Det stimulerede lysoutput kan moduleres af enten basisstrøminjektion via stimuleret optisk generering eller base-collector junction bias via optisk absorption.

"I dette arbejde, vi studerede den intrakavitets kohærente fotonintensitet på fotonassisteret tunneling i transistorlaseren og realiserede fotonfeltafhængig optisk absorption. Denne FH-ICPAT i en transistorlaser er den unikke egenskab ved spændings (felt) modulering og grundlaget for ultrahøj hastighed direkte lasermodulation og switching.

"Vi forbliver i gæld til John Bardeen, vores mentor, for hans livslange fortsatte interesse for transistoren (parallelt med BCS-teorien), effekten af ​​elektronen og hullet (e-h) i at hjælpe med at skabe diodelaseren og LED, og derudover nu fører til e-h rekombination (elektrisk og optisk) transistor laser, "Tilføjede Feng.