Nel 2004, pionieri dell'ingegneria elettrica Nick Holonyak, Jr. e Milton Feng dell'Università dell'Illinois hanno inventato il laser a transistor, un dispositivo a tre porte che incorporava pozzi quantici nella base e una cavità ottica, aumentando di cento volte la sua capacità di trasmettere dati. Si prevede che due recenti studi dei ricercatori avranno un impatto significativo sulla larghezza di banda di modulazione fondamentale del transistor e sul funzionamento del laser per il trasferimento di dati ad alta velocità ad alta efficienza energetica nelle comunicazioni ottiche e wireless 5G.

"Il transistor (punto di contatto) inventato da John Bardeen e Walter Brattain nel 1947 ha rivelato i principi di funzionamento dell'iniezione di corrente dell'emettitore, la ricombinazione base elettrone-lacuna, e l'uscita di corrente del collettore." ha spiegato Milton Feng, il professore emerito della cattedra Holonyak di ingegneria elettrica e informatica all'Illinois. "Il transistor a tre terminali ha sostituito il fragile tubo a vuoto per una commutazione e un'amplificazione del segnale elettrico rapida e affidabile, e ha reso possibile una rivoluzione nell'elettronica moderna, comunicazioni, e tecnologie informatiche".

"Siamo particolarmente grati a John Bardeen per aver portato la ricerca sui transistor a Urbana nel 1951, e cambiando tutte le nostre vite in tutto il mondo con la nuova fisica quantistica e i dispositivi a stato solido, " ha dichiarato Nick Holonyak Jr, Primo studente laureato di Bardeen e attuale professore emerito della Bardeen Chair di ingegneria elettrica e informatica e fisica. Nel 2004, Feng e Holonyak hanno realizzato che l'energia di ricombinazione radiativa (luce) alla base di un transistor bipolare a eterogiunzione III-V potrebbe essere modulata per essere un segnale e un dispositivo a tre porte in grado di sfruttare l'intricata fisica tra elettroni e luce.

"Il modo più veloce per far passare la corrente in un materiale semiconduttore è che gli elettroni saltino tra le bande del materiale in un processo chiamato tunneling, " Dichiarò Feng. "I fotoni di luce aiutano a trasportare gli elettroni attraverso, un processo chiamato tunneling assistito da fotoni intracavità, rendendo il dispositivo molto più veloce."

Il transistor laser differisce dal transistor Bardeen e Brattain in cui il guadagno di corrente dipende dal rapporto tra la durata della ricombinazione spontanea base elettrone-lacuna (e-h) e il tempo di transito emettitore-collettore. Il guadagno di corrente del laser a transistor Feng e Holonyak dipende dalla ricombinazione stimolata dalla base (e-h), il trasporto di rilassamento dielettrico di base, e il collettore ha stimolato il tunneling.

In due recenti articoli, pubblicato in Rivista di fisica applicata , Feng, insieme a Holonyak e ai ricercatori laureati Junyi Qiu e Curtis Wang, hanno stabilito i principi di funzionamento per la modulazione del tunneling di un laser a transistor a pozzo quantico con amplificazione di corrente e uscita ottica tramite tunneling assistito da fotoni all'interno della cavità.

"Riteniamo che questi due documenti relativi alla modulazione del tunneling intracavità del transistor cambieranno il funzionamento fondamentale della velocità del transistor e la modulazione laser, " ha detto Feng.

Nel loro articolo, "Modulazione di tunneling di un laser a transistor quantistico, " gli autori spiegano che la ricombinazione e-h stimolata operando sotto l'influenza dell'assistenza del pozzo quantico nella base, e modulazione ottica stimolata sotto l'influenza del tunneling intracavitario assistito da fotoni (ICPAT) al collettore. Gli autori hanno chiamato la loro nuova e innovativa idea "Feng-Holonyak Intra-Cavity Photon-Assisted Tunneling (FH-ICPAT)".

"Il meccanismo di guadagno del tunneling è il risultato delle proprietà uniche di trasporto della base laser a transistor sotto l'influenza di FH-ICPAT e del rilassamento dielettrico della base, che produce un trasporto veloce della base portante e una ricombinazione rapida rispetto al transistor Bardeen originale, " ha spiegato Wang. "La dipendenza dalla tensione e dalla corrente del guadagno di corrente di tunneling e della modulazione ottica è stata rivelata in dettaglio. Sebbene l'analisi venga eseguita per il tunneling assistito da fotoni intracavità laser a transistor, il meccanismo di funzionamento dovrebbe applicarsi in generale ai transistor del collettore tunneling di varie configurazioni di progetto."

In un compagno AIP articolo ("Laser a transistor a ricombinazione stimolata spontaneamente da collettore a effetto tunnel mediato da tensione di base di fotoni intracavità, "Gli autori hanno spiegato come l'assorbimento ottico e la modulazione in un diodo a giunzione p-n per un semiconduttore a gap diretto possono essere migliorati dal tunneling fotonico in presenza di cavità ottica e campo di fotoni in un laser a transistor.

"Nel laser a transistor, i fotoni coerenti generati alla base quanto-bene interagiscono con il campo del collettore e "assistono" il tunneling elettronico della cavità ottica dalla banda di valenza della base allo stato energetico della banda di conduzione del collettore, " Feng ha spiegato. "L'emissione di luce stimolata può essere modulata dall'iniezione di corrente di base tramite la generazione ottica stimolata o dalla polarizzazione della giunzione base-collettore tramite assorbimento ottico.

"In questo lavoro, abbiamo studiato l'intensità del fotone coerente intra-cavità sul tunneling fotone assistito nel laser a transistor e realizzato l'assorbimento ottico dipendente dal campo di fotoni. Questo FH-ICPAT in un laser a transistor è la proprietà unica della modulazione di tensione (campo) e la base per la modulazione e la commutazione laser diretta ad altissima velocità.

"Rimaniamo in debito con John Bardeen, il nostro mentore, per il suo continuo interesse per il transistor (parallelamente alla teoria BCS), l'effetto dell'elettrone e della lacuna (e-h) nell'aiutare a originare il laser a diodi e il LED, e in aggiunta ora portando al laser a transistor a ricombinazione e-h (elettrica e ottica), " Ha aggiunto Feng.