光電晶體

光電晶體是由雙極型電晶體或場效應電晶體等三端器件構成的光電器件。光在這類器件的有源區內被吸收，產生光生載流子，通過內部電放大機構，產生光電流增益。光電晶體三端工作，故容易實現電控或電同步。光電晶體所用材料通常是砷化鎵（GaAs），主要分為雙極型光電晶體、場效應光電晶體及其相關器件。

基本介紹

• 中文名：光電晶體
• 外文名：Phototransistor
• 繁體：光晶體管
• 屬性：光電器件
• 構成：雙極型電晶體或場效應電晶體
• 拼音：guangjingtiguan

技術原理

透過將雷射束集中在單分子上，ETH Zurich的科學家只用單個分子就產生雷射運作的基本條件──受激發射(stimulated emission)。由於在低溫下，分子會增加它們的外表面積(apparent surface area)來跟光線互動，因此研究人員將分子冷卻到攝氏零下272度，也就是只比絕對零度高1度。

兩條光束瞄準單分子

在受控制的模式下，利用一道雷射束來讓單個分子進入量子態(controlled fashion)，研究人員如此能明顯的縮減或是放大第二道雷射束。這種運作模式與傳統的電晶體如出一轍；電晶體內的電位(electrical potential)能用來調變第二個信號。不過ETH Zurich並未透露其單分子的化學方程式。

光電晶體示意圖

由於其性能與散熱效能的優勢，光子運算技術是科學家們長期追求的目標；光子(photon)不僅發熱比電子少，也能達到高出相當多的數據傳輸速率。不過光通訊技術卻只能逐步地從長距離通訊，進展到短距離通訊，再進入單系統中。

組成結構

光電晶體由雙極型電晶體或場效應電晶體等三端器件構成的光電器件。光在這類器件的有源區內被吸收，產生光生載流子，通過內部電放大機構，產生光電流增益。光電晶體三端工作，故容易實現電控或電同步。光電晶體所用材料通常是砷化鎵（GaAs），主要分為雙極型光電晶體、場效應光電晶體及其相關器件。雙極型光電晶體通常增益很高，但速度不太快，對於GaAs-GaAlAs，放大係數可大於1000，回響時間大於納秒，常用於光探測器，也可用於光放大。場效應光電晶體回響速度快(約為50皮秒)，但缺點是光敏面積小，增益小（放大係數可大於10），常用作極高速光探測器。與此相關還有許多其他平面型光電器件，其特點均是速度快（回響時間幾十皮秒）、適於集成。這類器件可望在光電集成中得到套用。

研究進展

來自瑞士的研究人員製作出號稱是“世界上最小的光電晶體”——僅由一個單一染料分子組成。該器件的問世意味著又朝全光電路和光子計算套用邁出重大一步。

兩條光束瞄準單分子

自從1960年第一個雷射器問世以來，科學家和工程師一直夢想著用光子取代電子來製作“電路”，在這裡，玻璃纖維或波導將扮演電纜或線路的角色，用來傳導光，而光開關、電晶體和二極體也將被用到，光子積體電路相比傳統的電子積體電路具有很多明顯優勢，包括信號禁止性，速度更快，散熱更是少，頻寬更大，更低串擾等。

遺憾的是，光子積體電路依然離桌面計算機和其他日常套用相差甚遠，主要原因是這些電路需要在納米級(Nanoscopic，1~100nm ）的空間內控制光子，要做到這一點非常困難。另外，將光束有效混合（將一個光束能量轉移到其他光束上）也需要macrosized的晶體。

儘管如此，光子積體電路研發的腳步並沒有停止，納米光學研究突飛猛進，讓人們看到新的希望。來自瑞士聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology，ETH Zurich)的研究人員最近宣布，已利用單分子(molecule)開發出一種光學電晶體。

發展前景

儘管如此，包括電動(electronically-operated)與光動(optically-operated)的光交換機，都已經被開發出來。ETH Zurich的物理化學實驗室教授Vahid Sandoghdar表示，光子技術與當今的電子技術相比，就很像今日的IC之於1950年代的真空管放大器。

ETH Zurich所開發的單分子光學電晶體，也有助於催生量子計算機。Sandoghdar表示，要在電晶體內用光子來替代電子，還需要很多年的時間；在此同時，科學家也在研究如何巧妙運用並控制量子系統，以實現量子計算機的夢想。

光晶體三極體

光晶體三極體是由雙極型電晶體或場效應電晶體等三端器件構成的光電器件。

簡介

編輯

光在這類器件的有源區內被吸收，產生光生載流子，通過內部電放大機構，產生光電流增益。光晶體三極體三端工作，故容易實現電控或電同步。光晶體三極體可分為兩類：雙極型光電晶體、光場效應光電晶體及其相關器件。

雙極型光電晶體

編輯

雙極型光電晶體從結構上分為同質型和異質型兩種。圖為異質結光電晶體能帶圖。光在基區-收集區吸收，產生的空穴（多子）在基區積累,使發射結注入更多電子以保持電中性而產生增益。與同質結型

光晶體三極體

相比有以下優點：①採用寬頻發射區作為光學視窗大大提高量子效率。②採用寬頻發射區提高注入效率，大大增加放大倍數β。對於短波長（短於0.9微米），常用GaAs-GaAlAs系統，對於長波長（長於1.1微米），則採用 InP-InGaAsP系統。對於後者，也可採用背面光照。這些系統基區均採用直接能隙半導體,光吸收率很高,故可做得較薄，大大縮短了基區渡越時間。

雙極型光電晶體通常增益很高，但速度不太快，對於GaAs-GaAlAs，β可大於1000，回響時間大於納秒（視增益大小不一）。其增益頻寬積GB在小電流弱光照時受發射極和收集極充電時間常數限制；而在大電流或強光照時則基本上由基區渡越時間和收集極渡越時間決定。一般（圖1），fT為電晶體截止頻率。當採用基區引線產生適

圖1

當偏流時，可顯著降低發射極充電時間常數，並為基區積累的光生載流子提供通路，減小基區等效壽命而縮短回響時間。GaAs-GaAlAs光電晶體回響時間為250皮秒或更短。

異質結光電晶體噪聲決定於工作電流，小電流時噪聲較低。但小電流工作時發射極時間常數增大，且空間電荷區複合流占主導成分，也造成增益降低（β正比於，Ie,n≈2）。為減小空間電荷區複合流,可用分子束外延生長法在靠發射結一端生長約300埃的寬頻基區,並構成基區空間電荷區一部分，這就是“雙基區”結構。

異質結光電晶體用於光探測器,其性能不劣於PIN光電二極體和場效應複合系統，另外也可用於光放大。

光場效應電晶體及其相關光電器件

編輯

GaAs MESFET可用作極高速光探測器(GaAs op FET),其回響時間為50皮秒或更短，增益可大於10（與工作條件有關）。它的缺點是光敏面積小。GaAs op FET及其相關的N溝光電器件的光增益機構有：①光異體機構，增益等於電子速度與空穴速度之比；②轉移電子效應機構，其增益來自光生載流子在負遷移率區的空間電荷放大作用。與此相關還有許多其他平面型光電器件，其特點均是速度快（回響時間幾十皮秒）、適於集成。這類器件可望在光電集成中得到套用。