光晶體管是由雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管等三端器件構(gòu)成的光電器件。光在這類器件的有源區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生光生載流子，通過(guò)內(nèi)部電放大機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生光電流增益。光晶體管三端工作，故容易實(shí)現(xiàn)電控或電同步。光晶體管所用材料通常是砷化鎵（GaAs），主要分為雙極型光晶體管、場(chǎng)效應(yīng)光晶體管及其相關(guān)器件。

技術(shù)原理

透過(guò)將激光束集中在單分子上，ETH Zurich的科學(xué)家只用單個(gè)分子就產(chǎn)生激光運(yùn)作的基本條件──受激發(fā)射（stimulated emission）。由于在低溫下，分子會(huì)增加它們的外表面積（apparent surface area）來(lái)跟光線互動(dòng)，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(duì)零度高1度。

兩條光束瞄準(zhǔn)單分子

光晶體管示意圖

在受控制的模式下，利用一道激光束來(lái)讓單個(gè)分子進(jìn)入量子態(tài)（controlled fashion），研究人員如此能明顯的縮減或是放大第二道激光束。這種運(yùn)作模式與傳統(tǒng)的晶體管如出一轍；晶體管內(nèi)的電位（electrical potential）能用來(lái)調(diào)變第二個(gè)信號(hào)。不過(guò)ETH Zurich并未透露其單分子的化學(xué)方程式。

由于其性能與散熱效能的優(yōu)勢(shì)，光子運(yùn)算技術(shù)是科學(xué)家們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)；光子（photon）不僅發(fā)熱比電子少，也能達(dá)到高出相當(dāng)多的數(shù)據(jù)傳輸速率。不過(guò)光通訊技術(shù)卻只能逐步地從長(zhǎng)距離通訊，進(jìn)展到短距離通訊，再進(jìn)入單系統(tǒng)中。

組成結(jié)構(gòu)

光晶體管由雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管等三端器件構(gòu)成的光電器件。光在這類器件的有源區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生光生載流子，通過(guò)內(nèi)部電放大機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生光電流增益。光晶體管三端工作，故容易實(shí)現(xiàn)電控或電同步。光晶體管所用材料通常是砷化鎵（GaAs），主要分為雙極型光晶體管、場(chǎng)效應(yīng)光晶體管及其相關(guān)器件。雙極型光晶體管通常增益很高，但速度不太快，對(duì)于GaAs-GaAlAs，放大系數(shù)可大于1000，響應(yīng)時(shí)間大于納秒，常用于光探測(cè)器，也可用于光放大。場(chǎng)效應(yīng)光晶體管響應(yīng)速度快（約為50皮秒），但缺點(diǎn)是光敏面積小，增益小（放大系數(shù)可大于10），常用作極高速光探測(cè)器。與此相關(guān)還有許多其他平面型光電器件，其特點(diǎn)均是速度快（響應(yīng)時(shí)間幾十皮秒）、適于集成。這類器件可望在光電集成中得到應(yīng)用。

發(fā)展前景

盡管如此，包括電動(dòng)（electronically-operated）與光動(dòng)（optically-operated）的光交換機(jī)，都已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。ETH Zurich的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授Vahid Sandoghdar表示，光子技術(shù)與當(dāng)今的電子技術(shù)相比，就很像今日的IC之于1950年代的真空管放大器。

ETH Zurich所開(kāi)發(fā)的單分子光學(xué)晶體管，也有助于催生量子計(jì)算機(jī)。Sandoghdar表示，要在晶體管內(nèi)用光子來(lái)替代電子，還需要很多年的時(shí)間；在此同時(shí)，科學(xué)家也在研究如何巧妙運(yùn)用并控制量子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想。

光晶體三極管

光晶體三極管是由雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管等三端器件構(gòu)成的光電器件。光在這類器件的有源區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生光生載流子，通過(guò)內(nèi)部電放大機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生光電流增益。光晶體三極管三端工作，故容易實(shí)現(xiàn)電控或電同步。光晶體三極管可分為兩類：雙極型光晶體管、光場(chǎng)效應(yīng)光晶體管及其相關(guān)器件。

雙極型光晶體管

雙極型光晶體管從結(jié)構(gòu)上分為同質(zhì)型和異質(zhì)型兩種。圖為異質(zhì)結(jié)光晶體管能帶圖。光在基區(qū)-收集區(qū)吸收，產(chǎn)生的空穴（多子）在基區(qū)積累，使發(fā)射結(jié)注入更多電子以保持電中性而產(chǎn)生增益。與同質(zhì)結(jié)型

光晶體三極管

相比有以下優(yōu)點(diǎn)：①采用寬帶發(fā)射區(qū)作為光學(xué)窗口大大提高量子效率。②采用寬帶發(fā)射區(qū)提高注入效率，大大增加放大倍數(shù)β。對(duì)于短波長(zhǎng)（短于0.9微米），常用GaAs-GaAlAs系統(tǒng)，對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)（長(zhǎng)于1.1微米），則采用 InP-InGaAsP系統(tǒng)。對(duì)于后者，也可采用背面光照。這些系統(tǒng)基區(qū)均采用直接能隙半導(dǎo)體，光吸收率很高，故可做得較薄，大大縮短了基區(qū)渡越時(shí)間。

雙極型光晶體管通常增益很高，但速度不太快，對(duì)于GaAs-GaAlAs，β可大于1000，響應(yīng)時(shí)間大于納秒（視增益大小不一）。其增益帶寬積GB在小電流弱光照時(shí)受發(fā)射極和收集極充電時(shí)間常數(shù)限制；而在大電流或強(qiáng)光照時(shí)則基本上由基區(qū)渡越時(shí)間和收集極渡越時(shí)間決定。一般，fT為晶體管截止頻率。當(dāng)采用基區(qū)引線產(chǎn)生適當(dāng)偏流時(shí)，可顯著降低發(fā)射極充電時(shí)間常數(shù)，并為基區(qū)積累的光生載流子提供通路，減小基區(qū)等效壽命而縮短響應(yīng)時(shí)間。GaAs-GaAlAs光晶體管響應(yīng)時(shí)間為250皮秒或更短。

異質(zhì)結(jié)光晶體管噪聲決定于工作電流，小電流時(shí)噪聲較低。但小電流工作時(shí)發(fā)射極時(shí)間常數(shù)增大，且空間電荷區(qū)復(fù)合流占主導(dǎo)成分，也造成增益降低（β正比于，Ie,n≈2）。為減小空間電荷區(qū)復(fù)合流，可用分子束外延生長(zhǎng)法在靠發(fā)射結(jié)一端生長(zhǎng)約300埃的寬帶基區(qū)，并構(gòu)成基區(qū)空間電荷區(qū)一部分，這就是“雙基區(qū)”結(jié)構(gòu)。

異質(zhì)結(jié)光晶體管用于光探測(cè)器，其性能不劣于PIN光電二極管和場(chǎng)效應(yīng)復(fù)合系統(tǒng)，另外也可用于光放大。

光場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其相關(guān)光電器件

GaAs MESFET可用作極高速光探測(cè)器（GaAs op FET），其響應(yīng)時(shí)間為50皮秒或更短，增益可大于10（與工作條件有關(guān)）。它的缺點(diǎn)是光敏面積小。GaAs op FET及其相關(guān)的N溝光電器件的光增益機(jī)構(gòu)有：①光異體機(jī)構(gòu)，增益等于電子速度與空穴速度之比；②轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)機(jī)構(gòu)，其增益來(lái)自光生載流子在負(fù)遷移率區(qū)的空間電荷放大作用。與此相關(guān)還有許多其他平面型光電器件，其特點(diǎn)均是速度快（響應(yīng)時(shí)間幾十皮秒）、適于集成。這類器件可望在光電集成中得到應(yīng)用。

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