速度超5G！美国海军研究实验室研发出氮化镓二极管

　　5月18日消息，据外媒报道，美国海军研究实验室声称已经开发出共振隧穿二极管（RTD：Resonant Tunneling Diode），该二极管具有前所未有的性能水平，如速度超过5G。

　　研究物理学家David Storm和电气工程师兼美国国家研究委员会（NRC）博士后研究员Tyler Growden参与了此次研究，并在“ 应用物理快报”中发表了他们的研究报告，描述了该团队对GaN / AlN RTD（基于氮化镓的二极管）中创纪录的快速开关速度的直接测量。

经典力学与量子力学穿过能量势垒的不同方式

　　据说该共振隧穿二极管可以使电子以极快的速度传输，而这主要是利用了量子隧穿效应，那么什么是量子隧穿效应？

　　在量子力学里，量子隧穿效应（Quantum tunnelling effect）为一种量子特性，是指电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的"墙壁"的现象。这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的概率穿过位势障壁。量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程，假若条件恰当，任何波动方程都会显示出出衰减波耦合效应，数学地等价于量子隧穿效应的波耦合效应也会发生于其它状况。

　　简单地说，量子隧穿效应是指微观粒子可以穿过一堵比自己还高的墙。我们可以想象一下经典的情况，如果面前有一堵墙，我们想翻墙而过，必须具有足够的能量跳过去，如果能量不够，我们是绝不可能出现在墙的另一面。但在量子世界中，即使能量不够，我们也可以穿墙而过（而不是跃墙而过），这就是量子隧穿效应现象。当然这里的“我们”不是指宏观的物体，而是微观粒子，因为宏观物体隧穿的概率实在太小了，以至于根本不可能观察到。

　　在这种隧穿中，电子通过利用其既能充当粒子又能充当波的能力，通过物理屏障移动而产生电流。

NRL研究人员开发的基于氮化镓的谐振隧道二极管的简单示意图。图片来源：Tyler Growden

　　研究人员说：“我们的研究表明，基于氮化镓的二极管并不像其他人所说的那样天生就很慢，它们在频率和输出功率上都能与不同材料的二极管进行很好的比较。”

　　根据研究人员的说法，他们基于氮化镓的二极管的设计能够显示“记录”的电流输出和开关速度，这些交换速度可以促进在互换、大功率电子设备以及下一代通信、联网和发送中的应用开发，这将需要毫米波区域的电磁波和太赫兹频率。在数百个不同尺寸的设备上进行的测量表明，收率约为90％。相比之下，典型的收益率范围约为20％。

　　在美国海军研究实验室发表的声明中：“要实现高效率的可操作隧穿设备可能很困难，因为它们需要原子级的尖锐界面，并且对许多散射和泄漏源非常敏感。为了在芯片上获得高产量和令人满意的结果，关键在于样品制备，均匀生长和受控的制造过程。到目前为止，从制造的角度来看，氮化镓还很难使用。”

　　研究人员计划继续完善其二极管设计，以改善其电流输出，同时保持功率潜力。

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