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美国海军研究实验室开发出共振隧穿二极管,速度超过5G


  来源: 传感器专家网 时间:2020-05-19 编辑:清风
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据外媒报道,美国海军研究实验室声称已经开发出共振隧穿二极管(RTD:Resonant Tunneling Diode),该二极管具有前所未有的性能水平,如速度超过5G。

研究物理学家David Storm和电气工程师兼美国国家研究委员会(NRC)博士后研究员Tyler Growden参与了此次研究,并在“ 应用物理快报”中发表了他们的研究报告,描述了该团队对GaN / AlN RTD(基于氮化镓的二极管)中创纪录的快速开关速度的直接测量。 

经典力学与量子力学穿过能量势垒的不同方式

据说该共振隧穿二极管可以使电子以极快的速度传输,而这主要是利用了量子隧穿效应,那么什么是量子隧穿效应?

在量子力学里,量子隧穿效应(Quantum tunnelling effect)为一种量子特性,是指电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的"墙壁"的现象。这是因为根据量子力学,微观粒子具有波的性质,而有不为零的概率穿过位势障壁。量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应,其量子行为遵守薛定谔波动方程,假若条件恰当,任何波动方程都会显示出出衰减波耦合效应,数学地等价于量子隧穿效应的波耦合效应也会发生于其它状况。

简单地说,量子隧穿效应是指微观粒子可以穿过一堵比自己还高的墙。我们可以想象一下经典的情况,如果面前有一堵墙,我们想翻墙而过,必须具有足够的能量跳过去,如果能量不够,我们是绝不可能出现在墙的另一面。但在量子世界中,即使能量不够,我们也可以穿墙而过(而不是跃墙而过),这就是量子隧穿效应现象。当然这里的“我们”不是指宏观的物体,而是微观粒子,因为宏观物体隧穿的概率实在太小了,以至于根本不可能观察到。

在这种隧穿中,电子通过利用其既能充当粒子又能充当波的能力,通过物理屏障移动而产生电流。 

NRL研究人员开发的基于氮化镓的谐振隧道二极管的简单示意图。图片来源:Tyler Growden

研究人员说:“我们的研究表明,基于氮化镓的二极管并不像其他人所说的那样天生就很慢,它们在频率和输出功率上都能与不同材料的二极管进行很好的比较。”

根据研究人员的说法,他们基于氮化镓的二极管的设计能够显示“记录”的电流输出和开关速度,这些交换速度可以促进在互换、大功率电子设备以及下一代通信、联网和发送中的应用开发,这将需要毫米波区域的电磁波和太赫兹频率。在数百个不同尺寸的设备上进行的测量表明,收率约为90%。相比之下,典型的收益率范围约为20%。

在美国海军研究实验室发表的声明中:“要实现高效率的可操作隧穿设备可能很困难,因为它们需要原子级的尖锐界面,并且对许多散射和泄漏源非常敏感。为了在芯片上获得高产量和令人满意的结果,关键在于样品制备,均匀生长和受控的制造过程。到目前为止,从制造的角度来看,氮化镓还很难使用。”

研究人员计划继续完善其二极管设计,以改善其电流输出,同时保持功率潜力。


关键词:共振隧穿二极管 5G 量子力学 氮化镓    浏览量:770

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