工程师们设计出用于下一代通信的激光驱动半导体开关

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的工程师们设计了一种新型的激光驱动半导体开关，理论上可以在更高的电压下实现比现有光导器件更高的速度。 据研究小组称，这种装置的开发可以使下一代卫星通信系统能够以更快的速度和更远的距离传输更多数据。

LLNL和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的科学家们在发表在IEEE电子器件协会杂志上的一篇论文中报告了这种新型光电导装置的设计和模拟。该装置利用高功率激光器在极端电场下，可以从基础材料氮化镓中产生电子电荷云。

与普通半导体不同的是，电子在应用电场增加时移动得更快，氮化镓表现出一种被称为负差动性的现象，即生成的电子云并不分散，而是在电子云的前端才变慢了。研究人员说，这使得该设备在暴露于电磁辐射时，能够在接近一太赫兹的频率下产生极快的脉冲和高电压信号。

“这个项目的目标是建立一个比现有技术强大得多的装置，但也能在非常高的频率下工作，“LLNL工程师和项目主要研究人员Lars Voss说。“它以一种独特的模式工作，输出脉冲实际上可以比激光器的输入脉冲在时间上更短--几乎像一个压缩装置。你可以将光学输入压缩成电输出，所以它让你有可能产生极高速和极高功率的无线电频率波形。“如果论文中建模的光电导开关能够实现，它可以被小型化并纳入卫星，以实现5G频率以外的通信系统，有可能以更快的速度和更远的距离传输更多数据。

Voss补充说，大功率和高频率技术是固态设备尚未取代真空管的最后一个领域。它们能够在超过300千兆赫（GHz）的频率下工作，同时提供一瓦或更高的输出功率的新的紧凑型半导体技术在此类应用中需求量很大，虽然一些高电子迁移率晶体管可以达到高于300GHz的频率，但它们的能量输出通常是有限的。

“这种新开关的建模和模拟将为实验提供指导，降低测试结构的成本，通过防止试错来提高实验室测试的周转率和成功率，并能够正确解释实验数据，“主要作者Shaloo Rakheja说，他是电子和计算机工程系的助理教授和UIUC的Holonyak微观和纳米技术实验室的常驻教员。

研究人员正在LLNL建造这些开关，并正在探索其他材料，如砷化镓，以优化性能。“与氮化镓相比，砷化镓在较低的电场下表现出负的差动性，所以它是一个很好的模型，可以通过更多的测试来了解该效应的权衡，“LLNL博士后研究员和共同作者Karen Dowling说。