作者:N. Holonyak 来源:《应用物理杂志》 发布时间:2010-7-12 14:29:10
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科学家修正基尔霍夫电流定律
 
虽然物理定律不是随便就可以推翻的,但是它们有时也需要修正。美国伊利诺斯大学电子和计算机工程教授米尔顿·冯和小尼克·侯隆亚克等研究人员通过开发出的三端口晶体管激光器(three-port transistor laser),对基尔霍夫电流定律进行了修正。
 
基尔霍夫电流定律于1845年由古斯塔夫·基尔霍夫所发现。该定律又称节点电流定律,其内容是电路中任一个节点上,在任一时刻,流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。换句话说,所有流进的电能必须全部流出。在基本的双极晶体管中,由于只有电流输入和输出两个端口,因此它可以直接适用该定律。
 
伊利诺斯大学研究人员通过使用量子阱修改基区和谐振器的外形,把晶体管的工作方式由自发发射转变为受激发射。晶体管复合工艺的改变使器件特性发生了变化,使其具有一种基本的、潜在的接近激光器阈值的可用的非线性特性。三端口晶体管激光器通过把电输入信号转变为两个输出信号——一个电信号和一个光信号,从而提供了新的信号混合和开关能力,把晶体管和激光器的功能结合了起来。
 
但是,新增加的光输出第三端口带来了意想不到的难题,即在两种能量输出形式并存的情况下如何运用电荷守恒定律和能量守恒定律。冯教授表示:“我们对此感到困惑。它是如何工作的?它是否违背了基尔霍夫定律?定律又如何适用于光子或光信号输出的?”
 
侯隆亚克教授说:“光信号与电信号相连和相关,但在晶体管激光器中光信号和电信号的关系则被解除。基尔霍夫定律照顾到了电荷平衡,却没有照顾到能量平衡。由此带来的问题是,如何将该定律适用于所有情况,并以电路的语言将其表达出来。”
 
最终,三端口晶体管激光器所表现的特性促使研究人员对基尔霍夫定律进行了再检验和修正,以使其能适用于解释电子和光子,从而有效地将电流定律扩展为电流—能量定律。在《应用物理杂志》网络版上,研究人员发表了有关的模型和支持数据。
 
冯教授表示,过去的定律仅与从给定节点流出的电子相关,从不涉及能量守恒的问题。他说:“这是我们首次看到能量是如何参与到守恒过程中的。”
 
基于修正定律的计算机模型与从三端口晶体管激光器收集的数据相符,可非常精确地预测出集成电路的频宽、速度和其他特性。通过研究三端口晶体管激光器中电子、光子和半导体的行为,研究人员将可开发出该器件在高速信号处理、集成电路、光通信及超级计算中的多种应用。(来源:科技日报 毛黎) 
 
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《应用物理杂志》发表论文摘要(英文)
 
 
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