In 2004, elektrotechnische pioniers Nick Holonyak, Jr. en Milton Feng van de Universiteit van Illinois vonden de transistorlaser uit - een apparaat met drie poorten dat kwantumbronnen in de basis en een optische holte incorporeerde - waardoor het vermogen om gegevens te verzenden honderdvoudig toenam. Twee recente onderzoeken van de onderzoekers zullen naar verwachting een aanzienlijke invloed hebben op de fundamentele modulatiebandbreedte van de transistor en de laserwerking voor energie-efficiënte snelle gegevensoverdracht in optische en 5G draadloze communicatie.

"De transistor (puntcontact) uitgevonden door John Bardeen en Walter Brattain in 1947 onthulde de werkingsprincipes van de emitterstroominjectie, de basis elektron-gat recombinatie, en de collectorstroomuitgang." legde Milton Feng uit, de Holonyak Chair emeritus hoogleraar elektrische en computertechniek in Illinois. "De transistor met drie aansluitingen verving de fragiele vacuümbuis voor snelle betrouwbare elektrische signaalomschakeling en -versterking, en heeft een revolutie in de moderne elektronica mogelijk gemaakt, communicatie, en computertechnologieën."

"We zijn John Bardeen in het bijzonder dankbaar voor het brengen van transistoronderzoek naar Urbana in 1951, en onze levens wereldwijd veranderen met de nieuwe kwantumfysica en solid-state apparaten, " verklaarde Nick Holonyak Jr, Bardeen's eerste afgestudeerde student en huidige Bardeen Chair professor emeritus in elektrische en computertechniek en natuurkunde. In 2004, Feng en Holonyak realiseerden zich dat de stralingsrecombinatie-energie (licht) aan de basis van een III-V heterojunctie bipolaire transistor kan worden gemoduleerd als een signaal en een apparaat met drie poorten dat de ingewikkelde fysica tussen elektronen en licht kan benutten.

"De snelste manier om stroom in een halfgeleidermateriaal te laten schakelen, is door de elektronen tussen banden in het materiaal te laten springen in een proces dat tunneling wordt genoemd, Feng verklaarde. "Lichtfotonen helpen de elektronen over te brengen, een proces genaamd intra-cavity photon-assisted tunneling, waardoor het apparaat veel sneller is."

De lasertransistor verschilt van de Bardeen- en Brattain-transistor waarbij de stroomversterking afhankelijk is van de verhouding van de spontane recombinatielevensduur van het basiselektron-gat (eh) tot de looptijd van de emitter-collector. De stroomversterking van de Feng- en Holonyak-transistorlaser hangt af van de door de basis (eh) gestimuleerde recombinatie, het basis diëlektrische ontspanningstransport, en de collector stimuleerde tunnelen.

In twee recente kranten gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , Feng heeft - samen met Holonyak en afgestudeerde onderzoekers Junyi Qiu en Curtis Wang - de werkingsprincipes vastgesteld voor het tunnelen van modulatie van een kwantumputtransistorlaser met stroomversterking en optische output via intra-cavity foton-geassisteerde tunneling.

"We zijn van mening dat deze twee artikelen met betrekking tot intra-cavity tunneling-modulatie van de transistor de fundamentele snelheidswerking van de transistor en de lasermodulatie zullen veranderen, ' zei Feng.

In hun artikel, "Tunneling-modulatie van een kwantumput-transistorlaser, " leggen de auteurs uit dat gestimuleerde e-h-recombinatie werkt onder invloed van kwantumputhulp in de basis, en gestimuleerde optische modulatie onder invloed van intra-cavity photon-assisted tunneling (ICPAT) bij de collector. De auteurs noemden hun nieuwe en nieuwe idee de "Feng-Holonyak Intra-Cavity Photon-Assisted Tunneling (FH-ICPAT)."

"Het tunneling-versterkingsmechanisme is het resultaat van de unieke basistransporteigenschappen van de transistorlaser onder invloed van FH-ICPAT en basisdiëlektrische relaxatie, wat een sneller basistransport en snelle recombinatie oplevert dan de originele Bardeen-transistor, " legde Wang uit. "De spannings- en stroomafhankelijkheid van de tunneling-stroomversterking en optische modulatie zijn in detail onthuld. Hoewel de analyse wordt uitgevoerd voor de transistor laser intra-cavity foton-assisted tunneling, het bedieningsmechanisme zou in het algemeen van toepassing moeten zijn op tunneling-collectortransistors met verschillende ontwerpconfiguraties."

In een metgezel AIP artikel ("Intra-cavity photon-assisted tunneling collector-base voltage-gemedieerde elektron-gat spontaan gestimuleerde recombinatie transistorlaser, "De auteurs legden uit hoe optische absorptie en modulatie in een pn-junctiediode voor een direct-gap halfgeleider kan worden verbeterd door foton-geassisteerde tunneling in de aanwezigheid van optische holte en fotonveld in een transistorlaser.

"In de transistorlaser, de coherente fotonen die bij de kwantumput van de basis worden gegenereerd, interageren met het collectorveld en 'helpen' de elektronentunnel van de optische holte van de valentieband van de basis naar de energietoestand van de geleidingsband van de collector, " legde Feng uit. "De gestimuleerde lichtopbrengst kan worden gemoduleerd door ofwel basisstroominjectie via gestimuleerde optische generatie of basis-collectorovergangsbias via optische absorptie.

"In dit werk, we bestudeerden de coherente fotonintensiteit binnen de holtes op foton-geassisteerde tunneling in de transistorlaser en realiseerden fotonveldafhankelijke optische absorptie. Deze FH-ICPAT in een transistorlaser is de unieke eigenschap van spannings(veld)modulatie en de basis voor ultrasnelle directe lasermodulatie en -schakeling.

"We blijven schatplichtig aan John Bardeen, onze mentor, voor zijn levenslange interesse in de transistor (parallel aan de BCS-theorie), het effect van het elektron en het gat (e-h) bij het ontstaan ​​van de diodelaser en LED, en bovendien nu leidend tot de e-h-recombinatie (elektrische en optische) transistorlaser, ' voegde Feng eraan toe.