إدخال الترانزستور فراغ: جهاز مصنوع من الفراغ

قد يحل الخليط الغريب لأنبوب الإلكترون وترانزستور MOS في يوم من الأيام محل السيليكون التقليدي

في سبتمبر 1976 ، في خضم الحرب الباردة ، انحرف فيكتور إيفانوفيتش بيلينكو ، وهو طيار ومنشق سوفييتي ، عن رحلة تدريب فوق سيبيريا ، التي قام بها على طائرة من طراز ميج 25 بي ، وعبر بسرعة بحر اليابان على ارتفاع منخفض ، وهبطت الطائرة في مطار مدني هوكايدو ، عندما تم ترك الوقود بالفعل لمدة 30 ثانية فقط. أصبحت خيانته المفاجئة لوطنه منة من السماء للمحللين العسكريين الأمريكيين ، الذين أتيحت لهم الفرصة أولاً لدراسة المقاتلة السوفيتية عالية السرعة عن كثب ، والتي اعتبروها واحدة من أكثر الطائرات تقدمًا. ولكن ما رأوه ضربهم.

أصبح هيكل الطائرة أكثر خشونة من المقاتلين الأمريكيين المعاصرين ، وكان يتكون أساسًا من الصلب ، وليس من التيتانيوم. تمتلئ مقصورات الصك مع المعدات التي تعمل على الأنابيب الإلكترونية ، بدلا من الترانزستورات. كان الاستنتاج الواضح ، على الرغم من المخاوف السائدة ، أنه حتى التكنولوجيا الأكثر تقدماً كانت ميؤوس منها وراء التكنولوجيا الغربية.

في الواقع ، في الولايات المتحدة الأمريكية ، والمصابيح الإلكترونية [والتي تسمى أنابيب فراغ هناك / تقريبا. عبر.] الطريق إلى أجهزة الحالة الصلبة الصغيرة واستهلاك الطاقة قبل عقدين من الزمن ، بعد فترة وجيزة من تجميع ويليام شوكلي ، وجون باردين ووالتر براتين أول ترانزستور في مختبرات بيل في عام 1947. وبحلول منتصف السبعينيات ، كانت الأنابيب الإلكترونية في الإلكترونيات الغربية يمكن العثور عليها فقط في أنواع مختلفة من المعدات الخاصة - دون حساب العدد الهائل من أنابيب أشعة الكاثود من أجهزة التلفزيون. لقد اختفوا اليوم ، وخارج المنافذ القليلة ، تلاشت المصابيح الإلكترونية. لذلك ، قد يفاجأ أن بعض التغييرات المتواضعة في عملية تصنيع الدوائر المتكاملة يمكن أن تنفث الحياة مرة أخرى في الإلكترونيات الفراغية.

نحن في مركز أميس للأبحاث التابع لناسا نطور ترانزستورات قنوات الفراغ (TCEs) خلال السنوات القليلة الماضية. لا يزال بحثنا في مرحلة مبكرة ، ولكن النماذج الأولية التي قطعناها على أنفسنا تظهر الاحتمالات الواعدة للغاية لهذه الأجهزة المبتكرة. يمكن أن تعمل الترانزيستورات المزودة بقناة تفريغ بسرعة 10 أضعاف من السيليكون التقليدي ، وقد تكون قادرة على العمل بترددات تيراهيرتز ، والتي تفوقت منذ فترة طويلة على قدرات أي جهاز في الحالة الصلبة. كما أنها أسهل بكثير لتحمل درجات الحرارة العالية والإشعاع. لفهم سبب حدوث ذلك ، يجدر فهم إنشاء وتشغيل المصابيح الإلكترونية القديمة الجيدة .


نسل مصباح وهاج. كانت أنابيب الإلكترون نتيجة طبيعية لتطوير المصابيح المتوهجة ، والتي تم تطويرها بنشاط بعد بحث توماس إديسون ، الذي درس إمكانية انبعاث الإلكترونات بواسطة خيوط ساخنة. تُظهر الصورة مثالًا مبكرًا لمصباح Audiion من عام 1906 ، والذي يشبه بقوة المصباح المتوهج ، على الرغم من أن الخيط الموجود في هذا المصباح غير مرئي - لقد تم إحراقه بالفعل لفترة طويلة. كان الخيط يعمل كاثود ، حيث انطلق منه الأقطاب باتجاه الأنود أو اللوحة الموجودة في وسط الأنبوب الزجاجي. يمكن التحكم في التيار من الكاثود إلى الأنود عن طريق تغيير الجهد المطبق على الشبكة - سلك متعرج ، مرئي تحت اللوحة.

قد تبدو الأنابيب الإلكترونية بحجم الإصبع التي تضخّم الإشارات في عدد لا يحصى من أجهزة الراديو والتليفزيون في النصف الأول من القرن العشرين ، تمامًا على عكس الترانزستورات المؤثرة في مجال أشباه الموصلات وأثرها في مجال الإلكترونات (MOS أو الترانزيت MOSFETs) التي تدهشنا بانتظام بقدراتها في مجال الإلكترونيات الرقمية الحديثة. لكنهم على حد سواء للكثيرين. أولاً ، كلاهما جهاز ذو ثلاثة أسنان. يتحكم الجهد المستخدم في جهة اتصال واحدة - شبكة الصمام الثلاثي المصباح الإلكتروني أو بوابة الترانزستور - في مقدار التيار الذي يمر بين جهات الاتصال الأخرى: من الكاثود إلى أنود المصباح الإلكتروني ومن المصدر إلى التصريف في MOSFET. تسمح هذه القدرة لهذه الأجهزة بالعمل كمكبرات صوت أو كمفاتيح.

ومع ذلك ، فإن التيار الكهربائي في أنبوب الإلكترون يتدفق بشكل مختلف تمامًا عن الترانزستور. تعمل أنابيب الإلكترون بسبب الانبعاث الحراري : تسخين الكاثود يجعله يرمي الإلكترونات في الفراغ المحيط. يحدث التيار في الترانزستورات بسبب انتشار الإلكترونات (أو الثقوب ، الأماكن التي لا يوجد فيها ما يكفي من الإلكترون) بين المصدر والصرف من خلال المواد شبه الموصلة الصلبة التي تفصل بينها.

لماذا أعطت الأنابيب الإلكترونية منذ فترة طويلة وسيلة لإلكترونيات الحالة الصلبة؟ من بين مزايا أشباه الموصلات منخفضة التكلفة ، وحجم أصغر بكثير ، وعمر أطول بكثير ، والكفاءة ، والموثوقية ، والمتانة والثبات. ولكن لكل هذا ، يتفوق الفراغ على أشباه الموصلات بشكل كامل كوسيلة لنقل الشحنة. تنتشر الإلكترونات بسهولة في الفراغ الفراغ ، وتعاني من تصادمات في ذرات مادة صلبة (مبعثرة على الشبكة البلورية). علاوة على ذلك ، لا يكون الفراغ عرضة للتلف بسبب الإشعاع ، مما يؤثر على أشباه الموصلات ، كما أنه ينتج ضوضاء وتشويه أقل من المواد الصلبة.

مساوئ المصابيح الإلكترونية ليست مزعجة للغاية إذا كنت بحاجة فقط لعدد صغير منهم لتجميع الراديو أو التلفزيون. ومع ذلك ، في مخططات أكثر تعقيدًا ، ثبت أنها أسوأ. على سبيل المثال ، كان كمبيوتر ENIAC عام 1946 يحتوي على 17،468 مصباحًا ، واستهلك 150 كيلوواط من الطاقة ، ووزنه أكثر من 27 طنًا ، وشغل مساحة 200 متر ^مربع تقريبًا. وانهار باستمرار - كل يوم أو اثنين من مصباح آخر خرج عن النظام.


رقاقة في زجاجة: أبسط مصباح إلكتروني قادر على التضخيم هو الصمام الثلاثي ، لذلك سمي لأنه يحتوي على ثلاثة أقطاب كهربائية: الكاثود ، الأنود والشبكة. عادة ما يكون لهذا الهيكل تناظر أسطواني عندما يحيط بالكاثود شبكة وتكون الشبكة محاطة بأحد الأنود. يشبه تشغيله ترانزستور التأثير الميداني - يتحكم الجهد الموفر للشبكة في التيار بين قطبين آخرين. غالبًا ما كان للمصابيح الصمامية خمسة ملامسات لاستيعاب اتصالين كهربائيين إضافيين للخيوط الساخنة.

ثورة الترانزستور وضعت حدا لهذه المشاكل. ومع ذلك ، فإن محور التغييرات في الإلكترونيات حدث بشكل رئيسي ليس لأن أشباه الموصلات كانت لها أي مزايا خاصة ، ولكن لأن المهندسين كانوا قادرين على الإنتاج الشامل والجمع بين الترانزستورات في دوائر متكاملة بسبب النقش الكيميائي أو الحفر في ركائز السيليكون من أجل الحصول على النموذج المرغوب . مع تطور التكنولوجيا لإنتاج الدوائر المتكاملة ، تمكنوا من دفع المزيد والمزيد من الترانزستورات على رقائق ، مما سمح للدوائر أن تصبح أكثر وأكثر تعقيدا مع كل جيل. أيضا ، أصبحت الالكترونيات أسرع دون أن تصبح أكثر تكلفة.

توجد ميزة السرعة هذه لأن الترانزستورات أصبحت أصغر ، وكان على الإلكترونات بداخلها أن تنقل مسافات أصغر من المصدر إلى الصرف ، مما سمح بتشغيل كل الترانزستور وإيقاف تشغيله بشكل أسرع. كانت المصابيح الإلكترونية كبيرة وضخمة ، وكان يتعين تصنيعها بشكل منفصل على الآلات. على الرغم من أنها تحسنت على مر السنين ، لم يكن لديهم أي شيء مثل الآثار المفيدة لقانون مور.

ومع ذلك ، بعد أربعة عقود من ضغط أحجام الترانزستورات ، توصلنا إلى استنتاج مفاده أن طبقة الأكسيد العازلة للبوابة في MOSFET النموذجية لم تصل سماكتها إلا إلى بضعة نانومتر فقط ، وفقط بضع عشرات من النانومتر تفصل المصدر والصرف. الترانزستورات التقليدية لم تعد قادرة على فعل الكثير. والبحث عن رقائق أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة لا يزال مستمرا. ماذا ستكون تكنولوجيا الترانزستور القادمة؟ يجري التطوير المكثف للأسلاك النانوية وأنابيب الكربون النانوية والجرافين. ربما أحد هذه الأساليب سيوفر الصناعة الإلكترونية. أو كل شيء سيكون عديم المعنى.

نحن نعمل على تطوير مرشح آخر ليحل محل MOSFET ، وهو مرشح كان يعبث به الباحثون بشكل دوري لسنوات عديدة: الترانزستور مع قناة فراغ. هذا هو نتيجة عبور المصباح الإلكتروني التقليدي وتقنيات تصنيع أشباه الموصلات الحديثة. يجمع هذا المزيج الغريب بين أفضل خصائص الأنابيب الإلكترونية والترانزستورات ، ويمكن تصنيعه كأنه صغير الحجم ورخيص مثل أي جهاز صلب. إنها القدرة على صنعها بحجم صغير يزيل العيوب المعروفة للمصابيح الإلكترونية.


الترانزستور من المصباح الإلكتروني: تذكر الترانزستورات مع قناة فراغ للغاية من أشباه الموصلات أكسيد المعادن ، MOSFET (يسار). في MOSFET ، يولد الجهد المطبق على البوابة مجالًا كهربائيًا في أشباه الموصلات الموجودة أدناه. يقوم هذا الحقل بسحب ناقلات الشحنة إلى القناة بين المصدر والصرف ، مما يسمح بتدفق التيار. لا يتدفق التيار إلى البوابة ؛ إنه معزول بطبقة رقيقة من الأكسيد. يستخدم ترانزستور القناة الفراغية الذي طوره المؤلفون (يمينًا) أيضًا طبقة أكسيد رقيقة لعزل البوابة عن الكاثود مع الأنود ، والتي لها نهايات حادة لتضخيم المجال الكهربائي.

في المصباح الإلكتروني ، يتم استخدام خيوط كهربائية تشبه الشعيرة المتوهجة في المصابيح ، لتسخين الكاثود بدرجة كافية لبدء إطلاق الإلكترونات. لذلك ، تحتاج المصابيح الإلكترونية إلى وقت للإحماء ، وبالتالي فهي تستخدم الكثير من الطاقة. وبالتالي فإنها تحترق كثيرًا (غالباً ما يكون ذلك بسبب التسرب المجهري في الزجاج). ومع ذلك ، فإن أشكال التعبير الثقافي التقليدي لا تحتاج إلى خيط أو كاثود ساخن. إذا كان الجهاز صغيراً بدرجة كافية ، فسيكون الحقل الكهربائي بداخله كافياً لسحب الإلكترونات من المصدر - وهذا ما يسمى بانبعاث المجال . مع التخلص من عناصر التسخين المستهلكة للطاقة ، نقوم بتقليل المساحة التي يشغلها الجهاز على الشريحة ، وجعل هذا الترانزستور الجديد فعالًا في استهلاك الطاقة.

نقطة ضعف أخرى في أنابيب الإلكترون هي أنها تحتاج إلى الحفاظ على فراغ عميق ، والذي عادة ما يكون حوالي 1/1000 من الضغط الجوي ، من أجل تجنب تصادم الإلكترونات مع جزيئات الغاز. في مثل هذه الضغوط المنخفضة ، يتسبب المجال الكهربائي في تسريع أيونات الغاز المتبقٍ الموجبة من الغاز المتبقي وقصفه ، مما يؤدي إلى نتوءات نانومترية حادة ، بسبب تدهورها وتدميرها في النهاية.

يمكن التغلب على هذه المشاكل المعروفة للإلكترونيات الفراغية. ماذا لو كانت المسافة بين الكاثود والأنود أقل من متوسط ​​المسافة التي يسافر بها الإلكترون قبل أن تصطدم بجزيء غاز - أقل من متوسط ​​المسار الحر ؟ عندها لن يكون من الضروري القلق بشأن الاصطدامات بين الإلكترونات وجزيئات الغاز. على سبيل المثال ، يبلغ متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات الموجودة في الهواء عند الضغط العادي 200 نانومتر ، وهو عدد كبير جدًا على مقياس الترانزستورات الحديثة. إذا تم استخدام الهليوم بدلاً من الهواء ، فسيزيد متوسط ​​المسار الحر إلى 1 ميكرون. هذا يعني أن الإلكترون الذي يمر عبر فجوة عرضية 100 نانومتر سوف يصطدم بالغاز باحتمال قدره 10٪ فقط. اجعل الفجوة أصغر ، واحتمالية أن تقل.

ولكن حتى مع احتمال انخفاض الاصطدام ، ستظل العديد من الإلكترونات تصطدم بجزيئات الغاز. إذا ضربت إلكترونًا مقيدًا من جزيء ، فسيتحول إلى أيون موجب الشحنة ، وسيرسله الحقل الكهربائي باتجاه الكاثود. بسبب القصف الأيوني الإيجابي ، تتحلل الكاثودات. لذلك ، يجب تجنب هذه العملية كلما أمكن ذلك.

لحسن الحظ ، في الجهد المنخفض ، لن تحصل الإلكترونات أبدًا على طاقة كافية لتأيين الهيليوم. لذلك ، إذا كانت أبعاد الترانزستور الفراغي أصغر بكثير من متوسط ​​المسار الخالي من الإلكترون (والذي يسهل تحقيقه) ، وكان جهد التشغيل منخفضًا بما فيه الكفاية (وهذا سهل الترتيب) ، يمكن للجهاز أن يعمل بشكل مثالي في الضغط الجوي. هذا هو ، في هذا الإلكترونيات فراغ مصغرة الحجم الاسمي ، لن يكون من الضروري للحفاظ على أي فراغ على الإطلاق!

وكيف يمكن تشغيل هذا الترانزستور الجديد وإيقافه؟ في مصباح ثلاثي الصمامات الإلكتروني ، نتحكم في التيار المتدفق من خلاله ، ونغير الجهد الموفر للشبكة - قطب كهربائي مشابه للشبكة الموجودة بين الكاثود والأنود. إذا وضعت الشبكة بالقرب من الكاثود ، فسيؤدي ذلك إلى زيادة التحكم الكهربائي ، لكنه سيزيد أيضًا من كمية التيار المتدفق على الشبكة. من الناحية المثالية ، يجب ألا يتدفق التيار إلى الشبكة على الإطلاق ، لأن هذا يؤدي إلى فقد الطاقة وحتى فشل المصباح. ولكن في الممارسة العملية ، هناك دائما تيار صغير.

لتجنب مثل هذه المشاكل ، نحن نسيطر على التيار في أشكال التعبير الثقافي التقليدي بالطريقة نفسها كما هو الحال في MOSFET المعتاد ، وذلك باستخدام قطب كهربائي يعزله عن التيار باستخدام مادة عازلة (ثاني أكسيد السيليكون). ينقل العازل المجال الكهربائي إلى المكان المطلوب ، ويمنع التيار من التدفق عبر الشبكة.

كما ترون ، أشكال التعبير الثقافي التقليدي ليست على الإطلاق جهازًا معقدًا. كان يعمل أسهل بكثير من أي خيارات الترانزستور السابقة.

على الرغم من أننا لا نزال في المراحل الأولى من بحثنا ، فإننا نعتقد أن التحسينات الأخيرة في أشكال التعبير الثقافي التقليدي ستؤثر بشكل خطير على صناعة الإلكترونيات في يوم من الأيام ، وخاصة تلك التطبيقات التي تكون فيها السرعة مهمة. في محاولتنا الأولى لتصنيع نموذج أولي ، حصلنا على جهاز يمكنه العمل بتردد 460 جيجاهرتز - أي حوالي 10 أضعاف أفضل ترانزيستورات السيليكون. وهذا يجعل أشكال التعبير الثقافي التقليدي أداة واعدة للعمل فيما يسمى فجوة تيراهيرتز - ذلك الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي الموجود فوق الموجات الصغرية وتحت نطاق الأشعة تحت الحمراء.


سد الفجوة: تعد أشكال التعبير الثقافي التقليدي بالعمل على ترددات بين الميكروويف والأشعة تحت الحمراء - وهذا النطاق من الطيف يطلق عليه أحيانًا فجوة تيراهيرتز ، حيث أن معظم أجهزة أشباه الموصلات لا تكاد تعمل في مثل هذه الترددات. وتشمل حالات الاستخدام الواعد نقل البيانات عالية السرعة الاتجاهية وتتبع المواد الخطرة.

هذه الترددات ، في حدود 0.1 إلى 10 THz ، مفيدة للاعتراف بالمواد الخطرة ونقل آمن عالي السرعة للبيانات - وهذه مجرد أمثلة قليلة. ومع ذلك ، فإن استخدام موجات تيراهيرتز أمر صعب ، لأن أجهزة أشباه الموصلات التقليدية لا يمكنها إنشاء أو التعرف على مثل هذا الإشعاع. يمكن أن الترانزستورات فراغ ملء هذا الفراغ ، آسف للتورية. قد تكون هذه الترانزستورات مفيدة في المعالجات الدقيقة المستقبلية ، لأن طريقة إنتاجها متوافقة تمامًا مع إنتاج الدوائر الصغيرة التقليدية. ومع ذلك ، قبل هذا ، يجب حل العديد من المشاكل.

يعمل النموذج الأولي TCE الخاص بنا على 10 فولت ، وهو حجم أكبر من الجهد المستخدم في الدوائر الدقيقة. ومع ذلك ، فقد تمكن الباحثون من جامعة بيتسبرغ بالفعل من جعل أشكال التعبير الثقافي التقليدي تعمل على 1 أو 2 فولت ، على الرغم من أن هذا يتطلب تنازلات خطيرة في مرونة التصميم. نحن على ثقة من أننا قادرون على تقليل متطلبات الجهد إلى مستوى مماثل ، مما يقلل المسافة بين الكاثود والأنود. يحدد حجم زاويتهم تركيز المجال الكهربائي ، ويحدد تكوين مادة الكاثود مدى قوة المجال المطلوب لاستخراج الإلكترونات منه. لذلك ، قد نكون قادرين على تقليل الجهد عن طريق التقاط الأقطاب الكهربائية بنصائح أكثر وضوحًا أو بتركيب كيميائي أكثر ملاءمة يقلل من الحاجز الذي تتغلب عليه الإلكترونات بالهروب من الكاثود. ستكون مهمة إيجاد التوازن ، لأن التغييرات التي تؤدي إلى انخفاض في جهد التشغيل ستقلل من الاستقرار طويل الأجل للأقطاب الكهربائية وعمر الترانزستور.

الخطوة الكبيرة التالية هي إنشاء عدد كبير من أشكال التعبير الثقافي التقليدي عن طريق وضعها على دائرة متكاملة. لهذا الغرض ، نخطط لاستخدام العديد من الأدوات الحالية للتنمية باستخدام الكمبيوتر والبرامج لمحاكاة تشغيل الدوائر المتكاملة. ولكن قبل ذلك ، سنحتاج إلى توضيح نماذج الكمبيوتر الخاصة بنا من الترانزستورات الجديدة ، وتطوير قواعد لتوصيل عدد كبير منها. سنحتاج أيضًا إلى تطوير طرق تغليف مناسبة لهذه الأجهزة بضغط يبلغ 1 جهاز صراف آلي مليء بالهيليوم. على الأرجح ، لهذا سيكون من الممكن دون أي مشاكل تطبيق التقنيات المستخدمة لتعبئة أجهزة الاستشعار الكهروميكانيكية الدقيقة - مقاييس التسارع والجيروسكوبات.

بالطبع ، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به قبل أن نتمكن من بدء الإنتاج التجاري للمنتج. ولكن عندما يحدث هذا ، سيكون الجيل الجديد من الإلكترونيات الفراغية بالتأكيد قادرًا على التفاخر بقدرات غير متوقعة. يجب أن تتوقع ذلك ، وإلا فقد تجد نفسك في مكان المحللين العسكريين الذين درسوا طائرة ميج 25 السوفيتية في اليابان عام 1976: فيما بعد أدركوا أن الأدوات التي تعتمد على الأنابيب يمكن أن تصمد أمام النبض الكهرومغناطيسي الناتج عن انفجار نووي ، أفضل من أي حشو للطائرة الغربية. وعندها فقط يمكن أن يدركوا قيمة كمية صغيرة من لا شيء.