Forskare vid Chalmers har visat brusfaktorn i transistorer kylda till nära 0 Kelvin begränsas av egenuppvärmning, och inte som man tidigare trott av heta elektroner. De nya rönen beskrivs i en artikeln den högt rankade tidskriften Nature Materials.

I en speciellt framtagen halvledarprocess för ändamålet har Chalmers tillverkat transistorerna i indiumfosfid. Ett avknoppningsföretag från Chalmers, Low Noise Factory, har konstruerat och kapslas förstärkarkretsar.
– Genom att kyla förstärkarmoduler till -260 grader Celsius kan vi få dem att fungera med det högsta signal-till-brus-förhållandet som idag är möjligt, säger Jan Grahn, professor i mikrovågsteknik på Chalmers.
Dessa avancerade kylda förstärkare har stor betydelse för detektion av signaler inom en mängd vetenskapsområden, från kvantdatorer till radioastronomi.
Forskarna har via experiment och simuleringar undersökt vad som händer med en mikrovågstransistor när den kyls till någon tiondels grad ovanför absoluta nollpunkten (-273 grader Celsius).  Vid dessa extremt låga temperaturer har det ansetts att bruset i en transistor begränsas av så kallade heta elektroner. Men den nya studien visar att bruset i stället begränsas av egenvärmning i transistorn.
Egenvärmning hänger samman med fononstrålning i transistorn vid mycket låga temperaturer. Fononer är kvantpartiklar som beskriver värmeledningsförmågan i material. Resultaten i studien bygger på en kombination av experimentella brusmätningar och simuleringar av fononer och elektroner i halvledartransistorn vid låga temperaturer.
– Studien är viktig dels för vår grundläggande förståelse för hur halvledartransistorn fungerar nära absoluta nollpunkten, dels för hur vi ska konstruera ännu känsligare lågbrusiga förstärkare för framtidens mottagare inom fysik och astronomi, säger Jan Grahn.
Forskningen har utförts som en del i ett internationellt forskningsutbyte mellan Chalmers och California Institute of Technology. Medförfattare är Universitetet i Salamanca och företaget Low Noise Factory i Mölndal. Studien har utförts inom Gigahertz Centrum, ett samarbete mellan Chalmers och företag i Vinnovas Vinn Excellence program.
Illustrationen ovan, från Chalmers, visar uppbyggnaden av den InP HEMT man har tillverkat och en infälld elektronmikropskopbild  där uppvärmningen väl framgår.

Filed under: SvenskTeknik