晶体管激光技术将改写电子学教科书

发明晶体管雷射(transistor-laser，TL)──即一种同时具备光学与电气输出的晶体管──的工程师表示，这种组件非常适合半导体转向整合光学的趋势；但他们也指出，若是真的开始在电路中采用TL，目前的电子学教科书恐怕都得改写，因为TL颠覆了该领域存在已久的电荷守恒(conservation of charge)概念，也就是克西荷夫定律(Kirchhoff's Law)。

「就像是晶体管对现今的IC所带来的影响，我们预期晶体管雷射也将带来类似的影响力，为光电整合IC以及光学互连开启新的视野；」与同事Nick Holonyak、博士候选人Han Wui Then一同发明晶体管雷射的美国伊利诺大学教授Milton Feng表示。晶体管雷射虽然已经问世约六年的时间，但其发明人却是一直到最近才为该技术与传统电路理论之间的失配(miss-match)问题找到解答。

在乔治˙奥姆(Georg Ohm)定义了电路理论中的第一个定律之后不久，古斯塔夫˙克西荷夫(Gustav Kirchhoff)提出了迄今仍广为传授的、被称为「克西荷夫定律」的电荷守恒原则，即：「在电路的任何一个接面，流入该节点的电流总量会与流出该节点的电流总量相同。」但在晶体管雷射中，有部份电流是要前往制造激光束──也就是混合了电荷守恒与能量守恒(energy conservation)。

因此Feng指出：「新的教科书需要把雷射晶体管包含在里面，“克西荷夫电流定律”应该被重新定义为“克西荷夫电流与能量定律”。」


开发TL的美国伊利诺大学教授Milton Feng与Nick Holonyak

研究人员为其以量子阱为基础(quantum-well-based)的晶体管雷射制作了等效电路，能用以准确地建立该晶体管雷射基底(也就是雷射发光之处)的充放电机制模型。也因此，现在可以透过计算机仿真的方式来研究TL电路，进行其频率与时域(time-domain)性能的分析。研究人员并已经在一个用三五族半导体材料所制作的晶体管雷射原型上，验证了其算法。

该原型的发光层是以砷化铟镓(indium gallium arsenide)量子阱、以三明治夹层方式与p型半导体基底组合而成；其发光腔(emitting cavity)为2.2微米(micron)宽、0.85厘米(millimeter)长，发光波长1.0微米，阈值电流40mA，能在3GHz频率对该雷射进行直接调变。接下来，该研究团队计划打造可应用在IC设计的整套晶体管雷射功能区块。

(参考原文： Transistor-laser breaks Kirchhoff's Law, rewrites textbooks，by R. Colin Johnson)