电子元器件打破了超高速通信的障碍

电子元器件打破了超高速通信的障碍 2023-02-20 13:38:15 614

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端口定义以及超器件中的电场模式和电流密度。a,直间隙器件的三维原理图,显示两个端子与共面波导的集成。端口在端子和接地垫之间定义。模拟b,ON状态和c,OFF状态的势垒处的垂直电场(实部)。在OFF状态下,边纹场引起的横向耗尽长度被认为是20 nm。OFF状态下的场模式不呈现振荡形状。可以看出,静电电压可以控制器件中的电磁相互作用,这是电子超器件中开关机制的基础。模拟半导体通道处处于d、ON状态和e、OFF状态的电流密度(绝对值)。OFF状态下的电流密度不显示任何限制。f,实数和g,ON状态下势垒()处电流密度的虚部。输入电流的实部在导通状态下完全占主导地位,这使得器件阻抗为阻性。h,实数和i,处于OFF状态的势垒()处电流密度的虚部。输入电流的虚部在OFF状态下占主导地位,这使得器件阻抗大多是无功的

洛桑联邦理工学院的研究人员提出了一种新的电子学方法,该方法涉及在亚波长尺度上设计元结构。它可以推出下一代超高速设备,用于交换大量数据,并应用于6G通信及其他领域。

到目前为止,使电子设备更快的能力归结为一个简单的原理:缩小晶体管和其他组件。但这种方法正在达到极限,因为收缩的好处被电阻和输出功率降低等有害影响所抵消。

洛桑联邦理工学院功率和宽带隙电子研究实验室(POWERlab)的Elison Matioli解释说,进一步的小型化并不是提高电子性能的可行解决方案。“新的论文描述了越来越小的设备,但就氮化镓制成的材料而言,就频率而言,最好的设备已经在几年前发表,”他说。“在那之后,真的没有什么比这更好的了,因为随着设备尺寸的减小,我们面临着根本的限制。无论使用何种材料,都是如此。

为了应对这一挑战,Matioli和博士生Mohammad Samizadeh Nikoo提出了一种新的电子方法,可以克服这些限制并实现一类新的太赫兹设备。

他们没有缩小他们的设备,而是重新排列了它,特别是通过在亚波长距离上蚀刻称为元结构的图案化接触到由氮化镓和氮化铟镓制成的半导体上。这些元结构允许控制设备内部的电场,产生自然界中不会发生的非凡特性。

至关重要的是,该设备可以在太赫兹范围内的电磁频率(0.3 到 30 THz 之间)下工作,比当今电子产品中使用的千兆赫波要快得多。因此,它们可以在给定的信号或周期内携带更多的信息,从而为6G通信及其他领域的应用提供巨大的潜力。

记录高频,记录低电阻

由于太赫兹频率对于当前的电子设备来说太快而无法管理,对于光学应用来说太慢,这个范围通常被称为“太赫兹间隙”。使用亚波长超结构调制太赫兹波是一种来自光学领域的技术。但是POWERlab的方法允许前所未有的电子控制,这与将外部光束照射到现有图案上的光学方法不同。

“在我们基于电子的方法中,控制感应射频的能力来自亚波长图案接触的组合,加上施加电压的电子通道控制。这意味着我们可以通过诱导电子(或不诱导电子)来改变元器件内部的集体效应,“Matioli说。

虽然当今市场上最先进的器件可以实现高达 2 THz 的频率,但 POWERlab 的元器件可以达到 20 THz。同样,当今在太赫兹范围附近工作的器件往往会在低于 2 伏的电压下发生故障,而元器件可以支持 20 伏以上。这使得太赫兹信号的传输和调制具有比目前更大的功率和频率。

集成解决方案

正如Samizadeh Nikoo所解释的那样,调制太赫兹波对于电信的未来至关重要,因为自动驾驶汽车和6G移动通信等技术不断增长的数据需求正在迅速达到当今设备的极限。例如,POWERlab开发的电子超器件可以通过生产已经可以与智能手机一起使用的紧凑型高频芯片,为集成太赫兹电子设备奠定基础。

“这项新技术可能会改变超高速通信的未来,因为它与半导体制造的现有工艺兼容。我们已经展示了太赫兹频率下高达每秒100千兆位的数据传输,这已经比我们今天拥有的10G高出5倍,“Samizadeh Nikoo说。

为了充分发挥这种方法的潜力,Matioli说下一步是开发其他电子元件,准备集成到太赫兹电路中。

“集成太赫兹电子设备是互联未来的下一个前沿领域。但我们的电子元器件只是一个组件。我们需要开发其他集成太赫兹组件,以充分发挥这项技术的潜力。这是我们的愿景和目标。

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