Сверхскоростные полупроводниковые переключатели с лазерным управлением для связи следующего поколения

Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы. Новые полупроводниковые переключатели с оптическим управлением могут заменить существующие переключатели в приложениях, где важны быстрый (наносекундный) отклик, дистанционное управление и быстрое восстановление.

В технологиях высоких энергий и высоких частот, превышающих 300 гигагерц (ГГц), требуются новые компактные полупроводниковые устройства, которые могут обеспечить выходную мощность в один ватт или выше. И хотя некоторые транзисторы с высокой подвижностью электронов могут достигать частот выше 300 ГГц., но их выход энергии обычно ограничен.

Целью исследователей из Ливерморской национальной лаборатории было создание устройства, которое будет не только намного мощнее существующей технологии, но также сможет работать на очень высоких частотах.

В исследованиях применен материал с широкой запрещенной зоной - нитрид галлия (GaN), который стал доминирующим полупроводниковым материалом для реализации транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT). Именно они составляют основу высокочастотной электроники. GaN также является отличным материалом для изготовления светопроводящих переключателей (PCSS), чьи высокочастотные характеристики могут превосходить характеристики HEMT.

В отличие от обычных полупроводников, в которых электроны движутся быстрее при увеличении приложенного электрического поля, в нитриде галлия происходит явление, называемое отрицательной дифференциальной подвижностью, когда генерируемое электронное облако не рассеивается, а фактически замедляется на фронте облака. По словам исследователей, это позволяет устройству при воздействии электромагнитного излучения создавать чрезвычайно быстрые импульсы и сигналы высокого напряжения на частотах, приближающихся к одному терагерцу. (LLNL)

В исследованиях ученые численно моделировали выходные характеристики GaN PCSS в зависимости от входного электрического и оптического смещения и размеров переключателя. Для проведения экспериментов использовался мощный лазер, создающий облака электронного заряда в нитриде галлия.

Созданное устройство работает в уникальном режиме, и выходной импульс может быть короче по времени, чем входной импульс лазера. Это даст возможность получить высокоскоростные и чрезвычайно мощные радиочастотные сигналы. После реализации проекта фотопроводящего переключателя и уменьшения размера устройства, его можно встроить в спутники для осуществления систем связи за пределами частот 5G, с более высокой скоростью и, соответственно, можно передавать больше данных на большие расстояния.