用于 6G 通信的等离子体场效应晶体管 (TeraFET)

美国伦斯勒理工学院的研究人员详细分析了短通道 TeraFET 和 TeraFET 等离子体晶体在未来 6G 通信中的应用。相关研究发表在《Sensors》上。

在一代人的时间里，互联网已经彻底改变了我们的生活，并且成为 COVID-19 大流行期间的救星。大流行期间的无线通信增加了约40%，电话会议增加了约 300% ，这主要是通过一种材料（硅）和一种器件（场效应晶体管）实现的。现在我们使用 的是4G 和新兴的 5G 技术， 6G 通信将会是通信领域的又一次变革性飞跃。 6G 将把远程医疗、电话会议、国防、工业控制、网络安全、物联网、自主无人驾驶汽车、机器人以及在家办公和会议等领域的应用提升到更高的水平，将把无线高速通信扩展到太空、海洋和高层大气。

使用 流行病方程分析表明，在新出现的 COVID-19 病毒变体（例如 Delta 变体）的驱动下，大流行的可能在未来几年仍伴随着我们。为此，不断增长的流量数据使得在300 GHz频段向6G通信过渡成为必然，300 GHz 范围已被确定为 252.72 GHz 到 321.84 GHz 之间的范围。

这种转变过程中，短沟道场效应晶体管 (FET) 对太赫兹 (THz) 和亚太赫兹辐射的检测和生成方面表现出极好的潜力。这种晶体管（通常称为 TeraFET）包括短沟道硅互补金属氧化物 (CMOS)。 TeraFET 物理涉及弹道或准弹道传输，通道尺寸小于或接近 TeraFET 通道中的电子平均自由程，通道中的弹道和准弹道电子传输决定了 TeraFET 在亚太赫兹和太赫兹频率下的响应。 TeraFET阵列可以形成具有更小或与电子平均自由程相当的纳米级单元的等离子体晶体，但其外形尺寸与辐射波长相当。这种等离子体晶体有可能支持向6G通信的过渡。 FET 通道中电子密度（等离子体波）的振荡决定了FET等离子体晶体单元之间的相位关系。等离子体波由撞击辐射激发并通过装置非线性校正，可以检测辐射强度和相位。目前，GaAs 等离子体太赫兹成像阵列已经商业化， Si CMOS 深亚微米 TeraFET 也表现出优异的性能。这项技术可以支持300GHz的视线探测器、行波放大器、光谱仪和发电机。

基于 III-N 的 TeraFET具有提供更高功率的潜力，可以在 6G 通信塔中找到应用。从长远来看，基于新型等离子体材料（如石墨烯、基于石墨烯的异质结和 p-金刚石）的 TeraFET 可能会与 GaAs 和 Si CMOS TeraFET 竞争，甚至可能将太赫兹通信扩展到更高的太赫兹频率。