1+1→100？这个新型光电晶体管可以做到
2018/11/8 7:30:00许少辉 中科院之声
知道吗？一个手机有数亿个晶体管!几乎所有的智能电子产品都由海量的晶体管组成。晶体管是目前最重要的半导体电子元件，没有之一。
电子晶体管(图片来自网络)
晶体管通常有3个端口(极)，分别为两个输入端，一个输出端，其中一个输入端信号可以对另外一个输入端信号进行放大、调制、开关等处理。
最具代表性的晶体管就是三极管，又称双极型晶体管、晶体三极管。三极管有三个电极，分别是基极、发射极和集电极。三极管是半导体基本元器件之一，它可以用基极的小电流信号去控制集电极的大电流信号，使得发射极的输出信号特性与基极的小电流信号特性相同，但是电流强度得到多倍增益，从而实现基极输入信号的多倍放大的效果。
晶体管其实跟水龙头很像。水龙头有入水口，阀控和出水口，入水口和阀控相当于两个输入端，出水口相当于输出端。入水口为水龙头提供水源，我们轻轻扭动水龙头的把手(对于晶体管来说，这个操作可视为微调控，相当于基极的小电流信号)就可以随意改变出水口水流的开、关和大小，实现微调控向大水流的转变。
水龙头示意图(图片来自网络)
根据晶体管的输入和输出的不同，我们可以把晶体管分成电子晶体管、光电晶体管、全光晶体管、全光输入光电晶体管等。
电子晶体管(图1a)：电+电→电。1947年，电子晶体管的问世带来了电子工业界的巨大变革，现在的处理器、存储器等处处都要用到这类电子晶体管。
光电晶体管(图1b)：电+光→电，常被用作光控开关应用于各类光电器件中。
全光晶体管(图1c)：光+光→光，可以为未来光子计算机的研发提供基础。
全光输入光电晶体管(图1d)：光+光→电，可为将来电器件和光器件的兼容问题提供帮助。
图1 电子晶体管、光电晶体管、全光晶体管、全光输入光电晶体管的示意图。
今天，我们就来重点关注其中的一项——全光输入光电晶体管。这种晶体管是由中科院合肥研究院固体所费广涛课题组与中国科学技术大学张尧博士合作研制的。
固体所高旭东博士在研究银/氧化钛(Ag/TiO2)多孔膜的光电性能时偶然发现，脉冲红外光可以在银/氧化钛器件回路中产生脉冲电流，当再加一束紫外光照射时，这个脉冲电流可以得到将近100倍的增加(图2)。
图2 光电流增强效应：紫外光照对器件近红外光响应的影响。
这个就很有意思了，也就是说，当只有红外光照射时，输出光电流为1 nA，只有紫外光照射时，输出电流为1 nA，当红外和紫外光同时照射时，输出电流却可以增长到大约为100 nA!可以这样表示：红外光→1 nA，紫外光→1 nA，红外光+紫外光→100 nA，而且输出电流的频率完全继承于红外光，因此可以说是红外光的光电流信号被放大了100倍。
这种现象突破了一般光电探测器的“光电流累加”的效应，出现了类似于晶体管的放大效应。
对比三极管和银/氧化钛复合薄膜的输出特性曲线，可以看出，这两者的曲线非常的相似，所以就将这种银/氧化钛复合薄膜称作全光输入的光电晶体管。而且，值得一提的是，这种光电器件只需要两束光输入就可以实现，并不需要外加电驱动。
图3 (a) 三极管的输出特性曲线，(b) 银/氧化钛复合薄膜的光电输出特性曲线。
他们分析表明，出现这种光控光电流增强特性，是源于银/氧化钛界面的肖特基势垒。肖特基势垒，是一种金属和半导体接触形成的能垒，可以对电子的迁移进行阻挡。
再回头看看我们的水龙头，肖特基势垒就相当于是水龙头的阀控，它可以通过紫外光调控；而红外光，相当于水龙头的入水口，它可以激发出热电子；热电子就相当于水龙头中的水。我们把水龙头的阀控拧得紧，流出的水流小。同样地，在银/氧化钛光电器件中，肖特基势垒高的时候，输出的光电流就小，利用紫外光改变肖特基势垒高度可以来调控输出电流。
图4 银/氧化钛的光控电流过程与水龙头的阀控过程类比。光控电流过程中，紫外光调控肖特基势垒高度，近红外光激发热电子越过势垒形成电流。
类比于三极管对电信号的放大、开关和调制等功能，这种银/氧化钛复合薄膜全光输入的光电晶体管可用于对光电信号的增强、开关和调制(图5)。该项工作为未来光电器件的研制提供了重要的参考。
图5 银/氧化钛全光输入光电晶体管的潜在应用。
相关研究结果作为卷首图片文章发表在 Adv. Funct. Mater. 杂志上。
来源：中国科学院合肥物质科学研究院
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