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上海交大但亚平教授提出光电导器件本质上无增益,有望改写经典物理课本
爱因斯坦 2018-09-10
导语

该研究发现一个存在了50多年的半导体光电导器件增益原理理论从根本上是错误的。此前该理论已经载入中外经典半导体物理课本,并广泛为人们所接受。

近日,上海交通大学密西根学院但亚平课题组在国际知名学术期刊《美国化学学会光子学》(ACS Photonics)上发表其最新研究成果《A photoconductor intrinsically has no gain》(光电导器件本质上无增益)。该研究发现一个存在了50多年的半导体光电导器件增益原理理论从根本上是错误的。此前该理论已经载入中外经典半导体物理课本,并广泛为人们所接受。

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图:理想光电导器件光电流随电压趋近饱和,导致光电器件本质上无增益

自上世纪50年代起,人们在实验中就观察到半导体光电导器件具有巨大的量子效率增益,特别是对于纳米或原子尺度的半导体光电导器件,有时候增益可高达1亿倍。经典的半导体物理理论认为,如果器件长度足够短而少数载流子寿命又足够长,则半导体光电导器件本身就具有巨大的增益。上个世纪80年代,日本科学家Nozomu Matsuo通过严格的实验对比,发现该理论预测与实验结果相去甚远。随后的几十年中,也陆续有科学家认为该理论有问题,但一直无人指出问题出在哪里,正确的理论又是什么。

此次发表的论文中,但亚平教授及其团队不仅指出了该理论的错误之处(2个假定不成立),而且给出了严格的正确表达式。研究发现,理想半导体光电导器件本身无增益,实验中观察到的巨大光增益来源于半导体内部的缺陷态或耗尽区的俘获效应。这一研究成果有望改写中外半导体物理课相关本章节(3~4页内容)。 《美国化学学会光子学》学术期刊编辑与6位审稿人经过近6个月的评审与讨论,认为论文结论正确,支持发表。但亚平教授为该论文的第一作者兼通讯作者,博士毕业生赵兴岩博士、博士生陈恺翔以及法国马赛大学Abdelmadjid Mesli教授也是论文的作者。

背景介绍

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但亚平现任上海交通大学特别研究员(教授),密西根学院Tenure-track副教授、博士生导师。 1999年本科毕业于西安交通大学,2002年硕士毕业于清华大学,2008年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学。博士毕业后,在哈佛大学从事博士后研究,2012年加入上海交通大学密西根学院,同年入选中组部“青年千人计划”。但教授的研究工作主要集中在全硅基光电子和单原子电子学,为未来先进集成电路和量子计算机技术提供关键解决方案。

文章链接:

Yaping Dan, et al, "A photoconductor intrinsically has no gain," ACS Photonics, DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00805

(本文来源:上海交通大学新闻网;)

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作者 爱因斯坦

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