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光晶体管的基础知识分析

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-11-07 浏览:-

光晶体管是由双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件。光在这类器件的有源区内被吸收,产生光生载流子,通过内部电放大机构,产生光电流增益。光晶体管三端工作,故容易实现电控或电同步。光晶体管所用材料通常是砷化镓(GaAs),主要分为双极型光晶体管、场效应光晶体管及其相关器件。

光晶体管

技术原理

透过将激光束集中在单分子上,ETH Zurich的科学家只用单个分子就产生激光运作的基本条件──受激发射(stimulated emission)。由于在低温下,分子会增加它们的外表面积(apparent surface area)来跟光线互动,因此研究人员将分子冷却到摄氏零下272度,也就是只比绝对零度高1度。

两条光束瞄准单分子

光晶体管

光晶体管示意图

在受控制的模式下,利用一道激光束来让单个分子进入量子态(controlled fashion),研究人员如此能明显的缩减或是放大第二道激光束。这种运作模式与传统的晶体管如出一辙;晶体管内的电位(electrical potential)能用来调变第二个信号。不过ETH Zurich并未透露其单分子的化学方程式。

由于其性能与散热效能的优势,光子运算技术是科学家们长期追求的目标;光子(photon)不仅发热比电子少,也能达到高出相当多的数据传输速率。不过光通讯技术却只能逐步地从长距离通讯,进展到短距离通讯,再进入单系统中。

组成结构

光晶体管由双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件。光在这类器件的有源区内被吸收,产生光生载流子,通过内部电放大机构,产生光电流增益。光晶体管三端工作,故容易实现电控或电同步。光晶体管所用材料通常是砷化镓(GaAs),主要分为双极型光晶体管、场效应光晶体管及其相关器件。双极型光晶体管通常增益很高,但速度不太快,对于GaAs-GaAlAs,放大系数可大于1000,响应时间大于纳秒,常用于光探测器,也可用于光放大。场效应光晶体管响应速度快(约为50皮秒),但缺点是光敏面积小,增益小(放大系数可大于10),常用作极高速光探测器。与此相关还有许多其他平面型光电器件,其特点均是速度快(响应时间几十皮秒)、适于集成。这类器件可望在光电集成中得到应用。

发展前景

尽管如此,包括电动(electronically-operated)与光动(optically-operated)的光交换机,都已经被开发出来。ETH Zurich的物理化学实验室教授Vahid Sandoghdar表示,光子技术与当今的电子技术相比,就很像今日的IC之于1950年代的真空管放大器。

ETH Zurich所开发的单分子光学晶体管,也有助于催生量子计算机。Sandoghdar表示,要在晶体管内用光子来替代电子,还需要很多年的时间;在此同时,科学家也在研究如何巧妙运用并控制量子系统,以实现量子计算机的梦想。

光晶体三极管

光晶体三极管是由双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件。光在这类器件的有源区内被吸收,产生光生载流子,通过内部电放大机构,产生光电流增益。光晶体三极管三端工作,故容易实现电控或电同步。光晶体三极管可分为两类:双极型光晶体管、光场效应光晶体管及其相关器件。

双极型光晶体管

双极型光晶体管从结构上分为同质型和异质型两种。图为异质结光晶体管能带图。光在基区-收集区吸收,产生的空穴(多子)在基区积累,使发射结注入更多电子以保持电中性而产生增益。与同质结型

光晶体三极管

相比有以下优点:①采用宽带发射区作为光学窗口大大提高量子效率。②采用宽带发射区提高注入效率,大大增加放大倍数β。对于短波长(短于0.9微米),常用GaAs-GaAlAs系统,对于长波长(长于1.1微米),则采用 InP-InGaAsP系统。对于后者,也可采用背面光照。这些系统基区均采用直接能隙半导体,光吸收率很高,故可做得较薄,大大缩短了基区渡越时间。

双极型光晶体管通常增益很高,但速度不太快,对于GaAs-GaAlAs,β可大于1000,响应时间大于纳秒(视增益大小不一)。其增益带宽积GB在小电流弱光照时受发射极和收集极充电时间常数限制;而在大电流或强光照时则基本上由基区渡越时间和收集极渡越时间决定。一般,fT为晶体管截止频率。当采用基区引线产生适当偏流时,可显著降低发射极充电时间常数,并为基区积累的光生载流子提供通路,减小基区等效寿命而缩短响应时间。GaAs-GaAlAs光晶体管响应时间为250皮秒或更短。

异质结光晶体管噪声决定于工作电流,小电流时噪声较低。但小电流工作时发射极时间常数增大,且空间电荷区复合流占主导成分,也造成增益降低(β正比于,Ie,n≈2)。为减小空间电荷区复合流,可用分子束外延生长法在靠发射结一端生长约300埃的宽带基区,并构成基区空间电荷区一部分,这就是“双基区”结构。

异质结光晶体管用于光探测器,其性能不劣于PIN光电二极管和场效应复合系统,另外也可用于光放大。

光场效应晶体管及其相关光电器件

GaAs MESFET可用作极高速光探测器(GaAs op FET),其响应时间为50皮秒或更短,增益可大于10(与工作条件有关)。它的缺点是光敏面积小。GaAs op FET及其相关的N沟光电器件的光增益机构有:①光异体机构,增益等于电子速度与空穴速度之比;②转移电子效应机构,其增益来自光生载流子在负迁移率区的空间电荷放大作用。与此相关还有许多其他平面型光电器件,其特点均是速度快(响应时间几十皮秒)、适于集成。这类器件可望在光电集成中得到应用。

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