为量子计算机开辟新途径？ 世界上首次演示了电子的飞行量子位操作。
2024 年 1 月 16 日，日本电信电话公司 (NTT)、法国萨克雷原子能机构 (CEA Saclay)、美国国家材料科学研究所 (NIMS) 和韩国科学技术院 (KAIST) 宣布，通过使用石墨烯 p-n 结和洛伦兹波形电压脉冲产生的单电子源列维子，电子飞行量子 比特操作在世界上首次得到证实。 众所周知，飞行量子比特是通过量子穿过空间排列的元素来进行运算的，它使用光子，但光子之间的相互作用很小，因此无法有效地进行量子计算机的基本算术元素--双量子比特运算。 使用具有强相互作用的电子飞行量子比特，不仅能实现比光子更高效的双量子比特运算，还能按需生成空间上分离的量子纠缠对，可用作元素之间布线的替代接口，而这一直是超导量子计算机大规模发展的限制因素。 这也将使其能够用作替代元件间布线的接口，而元件间布线已成为大规模超导量子计算机的限制因素。
在对飞行中的电子量子比特的研究中，从 2000 年代开始，在砷化镓（GaAs）半导体中形成了一个由光学实验中常用的两个分光镜组成的马赫-泽恩德干涉仪，并注入单个电子来量子操纵 GaAs 半导体的轨道。 目的已经达到。 尽管该系统的各个组成部分--构成马赫-泽恩德干涉仪的电子束分束器、低耗散的一维传导通道和单电子源--都已在技术上得到确立，但通过将这些要素技术相结合来实现电子的飞行量子比特操作却尚未实现。
这是因为基于砷化镓半导体的马赫-泽恩德干涉仪在几十 mK 的温度和几十 μV 的电压下会失去量子干涉特性，无法承受单个电子注入时电压脉冲产生的热量和电压，以及单个电子源入射能量的变化，从而改变干涉结果。 这项研究的结果是，当注入单个电子时，电子无法承受电压脉冲产生的热量和电压。
石墨烯 p-n 结是通过将二维材料导体石墨烯、绝缘体六方氮化硼和金属电极分层和微加工制成的、 与典型的半导体 p-n 结不同，石墨烯不存在带隙，因此形成了一种特殊的 p-n 结，其中 p 区和 n 区在空间上相互接触。 与砷化镓半导体相比，这种石墨烯 p-n 结结构更简单、更稳定，可用于制造电子马赫-泽恩德干涉仪。 量子干涉仪失效的温度为 500 mK，电压为 500 μV，比砷化镓半导体的几十 mK 和几十 μV高出一个数量级。
用作单电子源的悬浮子是一个在费米海中被洛伦兹波激发的波包，费米海可以看作是一个在能带理论中充满能序电子的海面，它只能产生一个单电子，而不需要额外的电子-空穴激发。 它的特点是只产生一个电子，而不需要额外的电子-空穴激发。 事实上，通过在通向石墨烯 p-n 结的电极上施加洛伦兹波形电压脉冲，已经证实可以产生悬浮子。通过将悬浮子注入干涉仪并控制石墨烯 p-n 结 n 区（|0>）和 p 区（|1>）中传播状态的量子叠加，利用石墨烯 p-n 结和悬浮子获得了电子飞行量子比特运行演示。 通过改变悬浮子进入入口侧分束器的透射率来控制|0>和|1>态存在的概率，以及通过改变穿透干涉仪的通量子的数量来控制|0>和|1>态之间的相位差，可以实现任意的量子叠加态。 在代表量子比特状态的布洛赫球中，|0>和|1>的存在概率对应于θ，|0>和|1>的相位差对应于φ。
这一成果是世界上首次在固态设备中演示电子的飞行量子位操作。 未来，他们的目标是在五年左右的时间内，通过双量子比特操作实现量子纠缠对的按需生成，而这是在内置多个石墨烯 p-n 结的器件结构中理论上可以实现的。 未来，该公司还希望开发多量子比特技术，从而研制出使用飞行电子量子比特的量子计算机。
2024 年 1 月 16 日，日本电信电话公司 (NTT)、法国萨克雷原子能机构 (CEA Saclay)、美国国家材料科学研究所 (NIMS) 和韩国科学技术院 (KAIST) 宣布，通过使用石墨烯 p-n 结和洛伦兹波形电压脉冲产生的单电子源列维子，电子飞行量子 比特操作在世界上首次得到证实。 众所周知，飞行量子比特是通过量子穿过空间排列的元素来进行运算的，它使用光子，但光子之间的相互作用很小，因此无法有效地进行量子计算机的基本算术元素--双量子比特运算。 使用具有强相互作用的电子飞行量子比特，不仅能实现比光子更高效的双量子比特运算，还能按需生成空间上分离的量子纠缠对，可用作元素之间布线的替代接口，而这一直是超导量子计算机大规模发展的限制因素。 这也将使其能够用作替代元件间布线的接口，而元件间布线已成为大规模超导量子计算机的限制因素。
在对飞行中的电子量子比特的研究中，从 2000 年代开始，在砷化镓（GaAs）半导体中形成了一个由光学实验中常用的两个分光镜组成的马赫-泽恩德干涉仪，并注入单个电子来量子操纵 GaAs 半导体的轨道。 目的已经达到。 尽管该系统的各个组成部分--构成马赫-泽恩德干涉仪的电子束分束器、低耗散的一维传导通道和单电子源--都已在技术上得到确立，但通过将这些要素技术相结合来实现电子的飞行量子比特操作却尚未实现。
这是因为基于砷化镓半导体的马赫-泽恩德干涉仪在几十 mK 的温度和几十 μV 的电压下会失去量子干涉特性，无法承受单个电子注入时电压脉冲产生的热量和电压，以及单个电子源入射能量的变化，从而改变干涉结果。 这项研究的结果是，当注入单个电子时，电子无法承受电压脉冲产生的热量和电压。
石墨烯 p-n 结是通过将二维材料导体石墨烯、绝缘体六方氮化硼和金属电极分层和微加工制成的、 与典型的半导体 p-n 结不同，石墨烯不存在带隙，因此形成了一种特殊的 p-n 结，其中 p 区和 n 区在空间上相互接触。 与砷化镓半导体相比，这种石墨烯 p-n 结结构更简单、更稳定，可用于制造电子马赫-泽恩德干涉仪。 量子干涉仪失效的温度为 500 mK，电压为 500 μV，比砷化镓半导体的几十 mK 和几十 μV高出一个数量级。
用作单电子源的悬浮子是一个在费米海中被洛伦兹波激发的波包，费米海可以看作是一个在能带理论中充满能序电子的海面，它只能产生一个单电子，而不需要额外的电子-空穴激发。 它的特点是只产生一个电子，而不需要额外的电子-空穴激发。 事实上，通过在通向石墨烯 p-n 结的电极上施加洛伦兹波形电压脉冲，已经证实可以产生悬浮子。通过将悬浮子注入干涉仪并控制石墨烯 p-n 结 n 区（|0>）和 p 区（|1>）中传播状态的量子叠加，利用石墨烯 p-n 结和悬浮子获得了电子飞行量子比特运行演示。 通过改变悬浮子进入入口侧分束器的透射率来控制|0>和|1>态存在的概率，以及通过改变穿透干涉仪的通量子的数量来控制|0>和|1>态之间的相位差，可以实现任意的量子叠加态。 在代表量子比特状态的布洛赫球中，|0>和|1>的存在概率对应于θ，|0>和|1>的相位差对应于φ。
这一成果是世界上首次在固态设备中演示电子的飞行量子位操作。 未来，他们的目标是在五年左右的时间内，通过双量子比特操作实现量子纠缠对的按需生成，而这是在内置多个石墨烯 p-n 结的器件结构中理论上可以实现的。 未来，该公司还希望开发多量子比特技术，从而研制出使用飞行电子量子比特的量子计算机。
LED光源的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料带隙Eg有关，即 λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料带隙Eg有关，即 λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
半导体名词含义
半导体工程师 2023-05-22 08:56 发表于北京
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其特性取决于材料的掺杂程度和结构。半导体在电子、通信、信息技术等领域中扮演着重要的角色，了解和掌握半导体相关的名词和术语，对于从事相关领域的人员来说是非常必要的。
图片
一、P型半导体
P型半导体是指用III族元素（如硼、镓等）掺杂到半导体材料中，从而使半导体中的空穴浓度增大的半导体材料。相对于N型半导体而言，P型半导体的电子浓度较低，有较强的正电性。P型半导体在电视、电脑等领域中有着广泛的应用。
二、N型半导体
N型半导体是指将V族元素（如磷、砷等）掺杂到半导体材料中，从而使半导体中的电子浓度增大的半导体材料。N型半导体相对于P型半导体而言，有较强的负电性。N型半导体通常用于制作电容、二极管、晶体管等电子器件中。
三、PN结
PN结是由P型半导体和N型半导体在一起构成的半导体器件，其本质是一种p-n正负结。PN结具有单向导电性，即在一定的电压作用下可导通，而在反向电压作用下不导电。在电子学领域中，PN结被广泛应用于各种电路中。
四、集成电路
集成电路（IC）是将大量的晶体管、电容器、电阻器等电子器件以及互连线集成在一块半导体材料上所形成的电路。集成电路可以分为模拟集成电路和数字集成电路两种类型。其主要作用是将电路中的各个部分模块化，从而方便进行设计和制造。
五、场效应晶体管
场效应晶体管（FET）是一种基于半导体材料制造的电子器件，其主要特点是通过控制晶体管的门电极电势，实现对电流的调节。FET可被用于放大电信号、开关电路、频率控制、功率放大和射频收发系统等领域，并作为数字电路中逻辑门的关键组件。
六、半导体激光器
半导体激光器是一种将半导体材料制成的激光器。半导体激光器是以具有PN结的半导体为材料，激光器中的电场通过电流调制而产生激光光束。半导体激光器主要用于通讯、切割、成像、医药、检测与测试等领域。
以上是一些关于半导体名词含义的介绍，这些名词虽然比较晦涩，但是对于从事电子、通信、信息技术等相关领域的人员来说，是必不可少的专业术语。掌握这些名词的含义，可以更好地理解和应用半导体材料及其相关器件，推动行业的不断发展和创新。
来源于芯片视角，作者芯片失效分析
https://t.cn/A6Ns0wHk
半导体工程师 2023-05-22 08:56 发表于北京
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其特性取决于材料的掺杂程度和结构。半导体在电子、通信、信息技术等领域中扮演着重要的角色，了解和掌握半导体相关的名词和术语，对于从事相关领域的人员来说是非常必要的。
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一、P型半导体
P型半导体是指用III族元素（如硼、镓等）掺杂到半导体材料中，从而使半导体中的空穴浓度增大的半导体材料。相对于N型半导体而言，P型半导体的电子浓度较低，有较强的正电性。P型半导体在电视、电脑等领域中有着广泛的应用。
二、N型半导体
N型半导体是指将V族元素（如磷、砷等）掺杂到半导体材料中，从而使半导体中的电子浓度增大的半导体材料。N型半导体相对于P型半导体而言，有较强的负电性。N型半导体通常用于制作电容、二极管、晶体管等电子器件中。
三、PN结
PN结是由P型半导体和N型半导体在一起构成的半导体器件，其本质是一种p-n正负结。PN结具有单向导电性，即在一定的电压作用下可导通，而在反向电压作用下不导电。在电子学领域中，PN结被广泛应用于各种电路中。
四、集成电路
集成电路（IC）是将大量的晶体管、电容器、电阻器等电子器件以及互连线集成在一块半导体材料上所形成的电路。集成电路可以分为模拟集成电路和数字集成电路两种类型。其主要作用是将电路中的各个部分模块化，从而方便进行设计和制造。
五、场效应晶体管
场效应晶体管（FET）是一种基于半导体材料制造的电子器件，其主要特点是通过控制晶体管的门电极电势，实现对电流的调节。FET可被用于放大电信号、开关电路、频率控制、功率放大和射频收发系统等领域，并作为数字电路中逻辑门的关键组件。
六、半导体激光器
半导体激光器是一种将半导体材料制成的激光器。半导体激光器是以具有PN结的半导体为材料，激光器中的电场通过电流调制而产生激光光束。半导体激光器主要用于通讯、切割、成像、医药、检测与测试等领域。
以上是一些关于半导体名词含义的介绍，这些名词虽然比较晦涩，但是对于从事电子、通信、信息技术等相关领域的人员来说，是必不可少的专业术语。掌握这些名词的含义，可以更好地理解和应用半导体材料及其相关器件，推动行业的不断发展和创新。
来源于芯片视角，作者芯片失效分析
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