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本文提出了一種基於納米級等離子體的新型集成全電子器件，該器件能夠在很寬的功率範圍內實現皮秒級的電信號切換，除了其簡單性和較低的製造成本外，其性能還超過了當前的超高速電子器件。為未來的晶片級超快電子和太赫茲信號源提供了新的視野。 在量子測量、成像和感測技術，先進的生物處理和超高的數據速率通信中超寬頻信號和太赫茲波廣泛應用，引起了人們對超快電子器件的廣泛關注。在此類應用中，電子開關的高速操作極具挑戰性，尤其是在需要高振幅輸出信號的情況下。例如，場效應和雙極結型器件具有良好的可控性和優異的性能，但它們相對於其導通狀態電流的相對較大的輸出電容實質上限制了它們的開關速度。近日，瑞士洛桑聯邦理工大學ElisonMatioli教授（通訊作者）演示了一種基於納米級等離子體的新型集成全電子器件，該器件能夠在很寬的功率範圍內實現皮秒級的電信號切換。相關論文以題為「Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics」於2020年3月25日發表在Nature上。 論文連結 https://www.nature.com/articles/s41586-020-2118-y ... 基於III-V化合物半導體的納米尺度電晶體，例如：例如砷化鎵（GaAs），砷化銦（InAs）和磷化銦（InP），是許多高速和高頻電子系統的核心。由於它們的高電子遷移率，這些器件在太赫茲範圍內表現出非常高的小信號截止頻率。然而，電晶體的高頻，大信號性能仍然是一個挑戰，因為它受到輸出電容Cout，電子飽和速度和臨界電場的嚴重限制。具有飽和電流Imax的電晶體（圖1a）的最大開關速度僅限於： ... ... 其中Z是負載電阻，v是漏源電壓，t是時間。如圖1d所示，詹森的品質因數（JFOM）表示GaAs和InP的開關速度甚至小於1 V ps-1，這是兩種具有很高電子遷移率的半導體，也是超快電子學的主要候選者。如等式（2）所述，最大開關速度為1 V ps-1對應於Z=50Ω在1T Hz時的2.5mW的輸出功率。這種限制不僅可以在基於電晶體的功率放大器的性能中看到，而且在其他基於固態的方法的性能中也可以看出。 等離子裝置，例如氣體放電管，具有接近理想的導通狀態，提供極高的電流密度，並且不表現出Cout限制的開關速度。但是，這些設備的動態性能受到其相對較低的電場和兩個端子之間相當大的電子散射的嚴重限制，這導致了納秒級轉換時間。作者通過使用在大氣中形成納米等離子體來實現超快開關，該開關克服了固態電子器件和大規模等離子體開關的速度限制。納米等離子體的小體積中非常高的電場導致超快的電子轉移，從而具有極短的時間響應。因此，設備實現了超快的開關速度，高於每皮秒10伏，這比場效應電晶體大了約兩個數量級，比常規電子開關快了十倍以上。同時測量了非常短的上升時間，下降到5皮秒，這受採用的測量設置的限制。通過將這些器件與偶極天線結合在一起，發射功率頻率為600mV的高功率太赫茲信號，遠大於緻密型固態電子技術的先進水平。 ... 圖1.固態電子器件的開關速度限制 ... 圖2. 納米等離子開關的概念 ... 圖3.納米等離子開關的實現 ... 圖4. 利用納米等離子開關產生脈衝 總之，本文提出了一種可集成的設備概念，該概念可實現高幅度信號的皮秒開關。除了其簡單性和較低的製造成本外，其性能還超過了當前的超高速電子器件。通過適當的電路設計，納米等離子體設備可以生成超快的高功率階躍和脈衝信號，這是超寬頻系統的關鍵要素。同時所提出的設備的高性能和簡單性為未來的晶片級超快電子和太赫茲信號源提供了新的視野，並將其應用於通信，成像，傳感和生物醫學等領域。（文：Caspar） 本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。

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