傳統光電探測器的靈敏度通過比探測率（Specific Detectivity）來量化，該指標在響應度和噪聲之間實現了平衡。然而，光電探測器（光電二極管/光電晶體管）的導通閾值功率實際上是由光生載流子的注入過程主導的，而非由探測率決定。在傳統光電晶體管或光電二極管中，入射光需要強度足夠高以使表面電位飽和，才能通過熱發射機制產生光電流。據麥姆斯咨詢報道，近日為突破這一限制，南京大學和西北工業大學的研究團隊設計了一種基于部分雙柵控黑磷（BP）通道的光隧穿晶體管。該器件打破了注入能壘，實現了在高達250 K的溫度下，約50 mV/dec的溫度無關亞閾值擺幅（Subthreshold Swing，SS），并將導通閾值功率降低了一個數量級以上。在80 K下，該器件能夠以約35 pW的最小光功率探測中波紅外光，相比探測率更高的傳統光電晶體管，其性能提升了約30倍。這項研究重新定義了光電探測器的靈敏度標準，并突出了陡峭亞閾值晶體管（Steep-Slope Transistor）在低功耗光電子學中的潛力，為實現超高靈敏度的紅外探測與成像技術開辟了新路徑。這項研究以“Ultra-weak infrared light detection based on steep-slope phototransistors”為題發表在Nature Communications期刊上。研究人員制備了黑磷隧穿場效應晶體管（FET），該器件支持中紅外光探測，該器件的結構及相關性能表征及與傳統場效應晶體管的比較如圖2所示。為了進一步確認隧穿場效應晶體管的帶間隧穿特性，研究人員對該器件進行了與溫度相關的傳輸測量，相關結果如圖3所示。接著，研究人員對光電隧穿場效應晶體管的導通閾值，從黑暗和不同中紅外光照功率的傳輸曲線中提取了中波紅外光（2.5 μm-4.8 μm）的最小可探測功率，相關結果如圖4所示。結果明確地突出了載流子注入在光電探測器中發揮的重要作用。最后，研究人員探究了光電隧穿場效應晶體管導通閾值功率與亞閾值擺幅之間的直接相關性，相關結果如圖5所示。有兩種方法可以沿著光電晶體管的載流子注入調整亞閾值擺幅：（1）溫度同時影響光電晶體管的熱離子注入速率和噪聲；（2）亞閾值擺幅反映的載流子注入速率可以通過頂部柵極電壓連續調諧。綜上所述，這項研究揭示了光電晶體管的探測能力或同等最低的可探測能力不僅是從探測率得出的參數，而是通過電荷注入來確定的。該研究展示了一種通過陡坡場效應晶體管提高靈敏度的策略。盡管典型的光電隧道晶體管表現出較低的探測率，但在相同條件下，其導通閾值功率比傳統光電晶體管高30倍。該策略可以無縫擴展到各種類型的陡峭斜率晶體管技術。結果表明，除噪聲和響應度之外，還應將導通閾值視為衡量光電探測器性能的內在品質因數。這項研究還為在低功耗電子器件之外的應用陡坡技術鋪平了一條新道路。https://doi.org/10.1038/s41467-025-59006-8延伸閱讀：
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