Создан способный работать в терагерцовом диапазоне частот очень чувствительный детектор радиосигнала, использующий туннельный эффект в транзисторе на базе графена.

Физики Московского физико-технического института, Московского педагогического государственного университета и университета Манчестера разработали высокочувствительный детектор терагерцового радиосигнала (диапазон частот примерно 3·10¹¹–3·10¹² Гц) на основе туннельного эффекта в графене. Чувствительность устройства уже превосходит коммерчески доступные аналоги на основе полупроводников и сверхпроводников, что открывает перспективы его использования в беспроводных коммуникациях, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Художественное изображение туннельного транзистора в виде «сэндвича» из двух слоев графена с «начинкой» в виде нитрида бора и дисульфида молибдена (Университет Манчестера) .

Передача информации с помощью электромагнитных волн основана на изменении параметров несущей непрерывной высокочастотной волны в соответствии с передаваемым информационным сигналом. Этот процесс называется модуляцией. Так, для передачи цифровой информации можно создавать последовательность отрезков излучения — битов информации. Чтобы передавать информацию быстрее, надо чаще формировать эти отрезки, то есть увеличивать частоту модуляции. При этом длительность отрезков уменьшается, и необходимо одновременно увеличивать и частоту заполняющего их несущего излучения.

Если привычное FM-радио использует радиоволны на частотах в сотни мегагерц, то несущая частота Wi-Fi-передатчика составляет уже около пяти гигагерц, а для мобильных систем передачи данных поколения 5G эта частота доходит до двадцати гигагерц. И это далеко не предел, поскольку дальнейшее повышение несущей частоты обещает в перспективе соответствующее увеличение скорости передачи данных. Однако работать с сигналами, имеющими частоту в сотни гигагерц и выше, значительно сложнее, чем с сигналами на более низких частотах.

Традиционный приёмник радиосигнала состоит из усилителя на основе транзистора и детектора (демодулятора), «извлекающего» полезный сигнал из высокочастотного модулированного тока. Эта схема, прекрасно работающая на радио и телевидении, становится неэффективной на планируемых для мобильных систем частотах в сотни гигагерц. Дело в том, что большинство существующих транзисторов не способны работать на столь высокой частоте.

Большинство исследователей пытаются решить эту проблему увеличением быстродействия транзисторов. Альтернативный путь теоретически предложили в начале 1990-х годов физики Михаил Дьяконов и Михаил Шур. Он заключается в использовании транзистора не для усиления, а для детектирования сигнала. Реализовать этот подход на практике впервые удалось авторам данной работы в 2018 году. Тогда они использовали обычный полевой транзистор. В этом полупроводниковом устройстве током, идущим по каналу от истока к стоку, можно управлять напряжением, прикладываемым к затвору. Его работа напоминает управление потоком воды с помощью крана, играющего роль затвора.

Сейчас же исследователи показали, что терагерцовый сигнал очень эффективно можно детектировать с помощью особого вида полевых транзисторов, который называется туннельным. В них электроны для создания тока должны преодолевать электрический барьер между истоком и стоком благодаря туннельному эффекту. Это исключительно квантовое явление, поскольку с точки зрения классической физики этот барьер для электронов непреодолим. Подача напряжения на затвор приводит к изменению энергетических уровней электронов в истоке и канале, что меняет вероятность туннелирования и, соответственно, величину тока. Отличительная черта туннельного транзистора – очень сильная чувствительность к управляющему напряжению. Ведь даже небольшой «расстройки» энергетических уровней достаточно, чтобы прервать процесс туннелирования или наоборот «включить» его.

В последнее десятилетие туннельные полевые транзисторы нашли применение в низковольтных электрических и оптических переключателях, химических и биологических датчиках. Однако для детектирования высокочастотных сигналов они пока не использовались. Это даже удивительно, учитывая недавние достижения в разработке туннельных высокочастотных выпрямителей, диодов и сверхпроводящих туннельных переходов,

В данной работе исследователи решили проблему с помощью туннельного полевого транзистора, имеющего вид «сэндвича» из двух слоёв графена с «начинкой» из нитрида бора и дисульфида молибдена. Он был изобретён в 2012 году командой под руководством нобелевских лауреатов Андрея Гейма (один из авторов этого исследования) и Константина Новосёлова. Графен обладает целым рядом свойств, важных для создания подобных устройств.

Эксперимент подтвердил разработанную теорию детектирования и показал, что по чувствительности созданный детектор на несколько порядков превосходит «классическое» устройство. Минимальный сигнал, различаемый им на фоне шума, уже конкурирует с аналогичным показателем у коммерчески доступных сверхпроводниковых и полупроводниковых болометров (датчиков излучения). Однако авторы уверены, что чувствительность детектора может быть увеличена на пару порядков. 

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований.

По пресс-релизу МФТИ.