En 2004, les pionniers du génie électrique Nick Holonyak, Jr. et Milton Feng de l'Université de l'Illinois ont inventé le laser à transistor, un dispositif à trois ports qui incorporait des puits quantiques dans la base et une cavité optique, augmentant sa capacité à transmettre des données au centuple. Deux études récentes menées par les chercheurs devraient avoir un impact significatif sur la bande passante de modulation fondamentale du transistor et sur le fonctionnement du laser pour un transfert de données haute vitesse économe en énergie dans les communications optiques et sans fil 5G.

"Le transistor (point-contact) inventé par John Bardeen et Walter Brattain en 1947 a révélé les principes de fonctionnement de l'injection de courant d'émetteur, la recombinaison électron-trou de base, et la sortie de courant du collecteur." a expliqué Milton Feng, le professeur émérite de la chaire Holonyak en génie électrique et informatique à l'Illinois. "Le transistor à trois bornes a remplacé le tube à vide fragile pour une commutation et une amplification rapides et fiables du signal électrique, et a rendu possible une révolution dans l'électronique moderne, communication, et des technologies informatiques."

"Nous sommes particulièrement reconnaissants à John Bardeen d'avoir amené la recherche sur les transistors à Urbana en 1951, et changer toutes nos vies dans le monde entier avec les nouveaux dispositifs de physique quantique et à semi-conducteurs, " a déclaré Nick Holonyak Jr, Le premier étudiant diplômé de Bardeen et actuel professeur émérite de la chaire Bardeen en génie électrique et informatique et en physique. En 2004, Feng et Holonyak ont ​​réalisé que l'énergie de recombinaison radiative (lumière) à la base d'un transistor bipolaire à hétérojonction III-V pouvait être modulée pour être un signal et un dispositif à trois ports pouvant exploiter la physique complexe entre les électrons et la lumière.

"Le moyen le plus rapide pour le courant de passer dans un matériau semi-conducteur est que les électrons sautent entre les bandes du matériau dans un processus appelé tunnel, " a déclaré Feng. " Les photons de lumière aident à faire passer les électrons à travers, un processus appelé tunnel intra-cavité assisté par photons, rendant l'appareil beaucoup plus rapide."

Le transistor laser diffère du transistor de Bardeen et Brattain dans lequel le gain de courant dépend du rapport entre la durée de vie de recombinaison spontanée électron-trou (e-h) base et le temps de transit émetteur-collecteur. Le gain de courant laser des transistors Feng et Holonyak dépend de la recombinaison stimulée par la base (e-h), le transport de relaxation diélectrique de base, et le collecteur a stimulé l'effet tunnel.

Dans deux articles récents, publié dans le Journal de physique appliquée , Feng, avec Holonyak et les chercheurs diplômés Junyi Qiu et Curtis Wang, ont établi les principes de fonctionnement de la modulation tunnel d'un laser à transistor à puits quantique avec amplification de courant et sortie optique via un tunnel assisté par photons intra-cavité.

"Nous considérons que ces deux articles liés à la modulation tunnel intra-cavité du transistor vont changer le fonctionnement de la vitesse fondamentale du transistor et la modulation laser, " dit Feng.

Dans leur article, "Modulation tunnel d'un laser à transistor à puits quantique, " les auteurs expliquent que la recombinaison e-h stimulée opère sous l'influence d'une assistance à puits quantiques dans la base, et la modulation optique stimulée sous l'influence de l'effet tunnel intra-cavité assisté par photons (ICPAT) au niveau du collecteur. Les auteurs ont nommé leur idée nouvelle et novatrice "Feng-Holonyak Intra-Cavity Photon-Assisted Tunneling (FH-ICPAT)".

"Le mécanisme de gain tunnel est le résultat des propriétés uniques de transport de base du laser à transistor sous l'influence du FH-ICPAT et de la relaxation diélectrique de la base, qui donne un transport de base de porteur rapide et une recombinaison rapide que le transistor Bardeen d'origine, " a expliqué Wang. " La dépendance en tension et en courant du gain de courant tunnel et de la modulation optique a été révélée en détail. Bien que l'analyse soit réalisée pour le transistor laser à effet tunnel intra-cavité assisté par photons, le mécanisme de fonctionnement devrait s'appliquer en général aux transistors à collecteur tunnel de diverses configurations de conception."

Dans un compagnon AIP article ("Intra-cavity photon-assisted tunneling collector-base voltage-mediated electron-hole recombinaison transistor transistor laser, " les auteurs ont expliqué comment l'absorption optique et la modulation dans une diode à jonction p-n pour un semi-conducteur à ouverture directe peuvent être améliorées par effet tunnel assisté par photons en présence d'une cavité optique et d'un champ de photons dans un laser à transistor.

"Dans le laser à transistor, les photons cohérents générés au niveau du puits quantique de la base interagissent avec le champ de collecteur et « assistent » l'effet tunnel d'électrons de la cavité optique de la bande de valence de la base à l'état énergétique de la bande de conduction du collecteur, " a expliqué Feng. " La sortie de lumière stimulée peut être modulée soit par injection de courant de base via une génération optique stimulée, soit par une polarisation de jonction base-collecteur via absorption optique.

"Dans ce travail, nous avons étudié l'intensité des photons cohérents intra-cavité sur l'effet tunnel assisté par photons dans le laser à transistor et avons réalisé une absorption optique dépendante du champ de photons. Ce FH-ICPAT dans un laser à transistor est la propriété unique de la modulation de tension (champ) et la base de la modulation et de la commutation laser directe à ultra-haute vitesse.

"Nous restons redevables à John Bardeen, notre mentor, pour son intérêt continu pour le transistor (parallèle à la théorie BCS), l'effet de l'électron et du trou (e-h) en aidant à créer la diode laser et la LED, et en plus menant maintenant au laser à transistor à recombinaison e-h (électrique et optique), " ajouta Feng.