Усиление сигнала широко распространено во всех электронных и оптоэлектронных системах связи, визуализации и вычислений - его характеристики напрямую влияют на производительность устройства. Новый процесс усиления сигнала, открытый группой исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего, в настоящее время позволяет использовать новые поколения электрических и фотонных устройств, преобразовывая области связи, обработки изображений и вычислений.
"В течение многих лет полупроводниковая промышленность полагается на фотодетекторы для оптоэлектрического преобразования, а затем на малошумные электронные усилители для преобразования оптических сигналов в электронные сигналы с усилением для обеспечения обнаружения и обработки информации", объяснил Ю-Хва Ло, профессор по электротехнике и компьютерной технике Калифорнийского университета, Сан-Диего.
Также широко признано, что наивысшая чувствительность может быть достигнута путем сочетания электронного усилителя с фотодетектором, который использует внутренний механизм усиления для оптимального баланса теплового шума электронного усилителя и шума выстрела - типа шума в фотодетекторе, который возникает из-за природы частиц света.
"Следуя этому установленному принципу, лавинные фотоприемники, использующие метод ударной ионизации, стали предпочтительными устройствами и остаются таковыми на протяжении многих десятилетий", - отметил Ло.
Ударная ионизация, однако, имеет такие недостатки, как высокое рабочее напряжение - обычно от 30 до 200 В - и быстрое увеличение шума с усилением.
Поэтому команда искала более эффективный внутренний механизм усиления для полупроводников для усиления фототока при гораздо более низком напряжении и шуме, чем токовый метод.
"Благодаря пониманию сложных взаимодействий между электронами в локализованных и расширенных состояниях и фононами (единица колебательной энергии, которая возникает в результате колебаний атомов в кристалле), мы обнаружили гораздо более эффективный механизм - процесс циклического возбуждения (CEP) - для усиления сигнала," - сказал Ло.
Технические аспекты
Готовы ли вы углубиться в технические концепции? Устройство в первую очередь имеет p/n-соединение (границу между двумя полупроводниковыми материалами в одном кристалле полупроводника), аналогичное тем, которые находятся в полупроводниковых устройствах. "Единственная уникальная особенность заключается в том, что обе стороны p/n-образного перехода содержат значительное количество контрдопинга - большое число доноров существует в p-регионе, а акцепторы - в n-регионе", - пояснил Л. Рон Хаббард. Такая конструкция называется "сильно компенсированный p/n-образный стык".
Контрпримеси в компенсированном p/n переходе отвечают за высокоэффективный процесс усиления сигнала (фототока) в команде. Электроны или отверстия, пересекающие область истощения, получают кинетическую энергию и, в свою очередь, возбуждают новые электронно-дырочные пары, используя компенсирующие примеси (доноров в p-стороне и акцепторы в n-стороне) в качестве промежуточных состояний.
"Например, энергетический электрон может возбудить электрон от оккупированного акцептора к полосе проводимости, в то время как фонон поглощается впоследствии, чтобы заполнить акцептор электроном из полосы валентности, создавая дыру в полосе валентности для завершения генерации электронно-дырочной пары," сказал Ючжун Чжоу, доктор из группы Лоу. "Этот тип процесса происходит по обе стороны p/n соединения и формирует циклы электронно-дырочного возбуждения для получения высокого коэффициента усиления."
Ключевым открытием и инновацией для процесса амплификации является использование компенсирующих примесей в качестве промежуточных шагов для генерации электронно-дырочных пар. "Примесные состояния локализованы, поэтому сохранение импульса, ограничивающего эффективность традиционной ударной ионизации, может быть значительно ослаблено и приведет к повышению эффективности усиления сигнала и снижению рабочего напряжения", - добавил Лоу.
Самое поразительное последствие открытия команды? "Возможно, совершенно новый физический механизм может быть найден в самой распространенной структуре устройства - p/n-соединении, которое использовалось с расцвета полупроводниковой промышленности", - сказал Лоуи. "Представляется, что небольшая модификация, такая как сильная компенсация допинга, из общей структуры может быть использована для извлечения выгоды из необычного физического процесса, являющегося результатом согласованных взаимодействий между электронами в расширенных и локализованных (примесных) состояниях и фононами".
С дальнейшими улучшениями, по мнению команды, обнаруженный механизм усиления сигнала может быть использован в широком спектре устройств и полупроводников, представляя новую парадигму для полупроводниковой промышленности.