Einführung eines Vakuumtransistors: Ein Gerät aus der Leere

Eine merkwürdige Mischung aus einer Elektronenröhre und einem MOS-Transistor könnte eines Tages herkömmliches Silizium ersetzen

Im September 1976, mitten im Kalten Krieg, weicht der sowjetische Pilot und Überläufer Viktor Iwanowitsch Belenko von einem Trainingsflug über Sibirien ab, den er mit einem Mig-25P-Flugzeug durchführte, überquerte schnell das Japanische Meer in geringer Höhe und landete das Flugzeug auf einem zivilen Flughafen Hokkaido, als der Kraftstoff schon 30 Sekunden lang übrig war. Sein plötzlicher Verrat an seiner Heimat wurde für amerikanische Militäranalytiker zum Manna vom Himmel, die zunächst die Gelegenheit hatten, den sowjetischen Hochgeschwindigkeitsjäger, den sie als eines der fortschrittlichsten Flugzeuge betrachteten, genau zu untersuchen. Aber was sie sahen, traf sie.

Der Rumpf des Flugzeugs war gröber als der moderner amerikanischer Jäger und bestand hauptsächlich aus Stahl, nicht aus Titan. Die Instrumentenfächer waren mit Geräten gefüllt, die mit elektronischen Röhren anstatt mit Transistoren betrieben wurden. Die offensichtliche Schlussfolgerung war trotz der vorherrschenden Befürchtungen, dass selbst die fortschrittlichste Technologie hoffnungslos hinter der westlichen zurückblieb.

In den USA werden elektronische Lampen [die dort als Vakuumröhren bezeichnet werden / ca. trans.] gab zwei Jahrzehnte zuvor, kurz nachdem William Shockley, John Bardin und Walter Brattain 1947 den ersten Transistor in den Bell Laboratories zusammengebaut hatten, kleineren Festkörpergeräten und Stromverbrauch Platz. Mitte der 1970er Jahre elektronische Röhren in der westlichen Elektronik konnte nur in verschiedenen Arten von Spezialgeräten gefunden werden - ohne die große Anzahl von Kathodenstrahlröhren von Fernsehgeräten. Heute sind sie verschwunden und außerhalb der wenigen Nischen sind elektronische Lampen praktisch ausgestorben. Daher können Sie überrascht sein, dass einige geringfügige Änderungen im Herstellungsprozess von integrierten Schaltkreisen der Vakuumelektronik wieder Leben einhauchen können.

Wir vom Ames Research Center der NASA haben in den letzten Jahren Vakuumkanaltransistoren (TCEs) entwickelt. Unsere Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium, aber die von uns hergestellten Prototypen zeigen die äußerst vielversprechenden Perspektiven dieser innovativen Geräte. Transistoren mit einem Vakuumkanal können zehnmal schneller als herkömmliches Silizium arbeiten und können möglicherweise bei Terahertz-Frequenzen arbeiten, die lange Zeit über die Fähigkeiten eines Festkörpergeräts hinausgingen. Sie vertragen auch viel leichter hohe Temperaturen und Strahlung. Um zu verstehen, warum dies geschieht, lohnt es sich, die Entstehung und den Betrieb der guten alten elektronischen Lampen zu verstehen.


Nachkomme einer Glühlampe. Elektronenröhren waren ein natürliches Ergebnis der Entwicklung von Glühlampen, deren Entwicklung nach den Forschungen von Thomas Edison, der die Möglichkeit der Emission von Elektronen durch erhitzte Filamente untersuchte, aktiv vorangetrieben wurde. Das Foto zeigt ein frühes Beispiel der Audiion-Lampe aus dem Jahr 1906, die stark an eine Glühlampe erinnert, obwohl der Faden in dieser Lampe nicht sichtbar ist - sie ist bereits lange ausgebrannt. Der Faden arbeitete als Kathode, von der aus die Elektroden zur Anode oder Platte in der Mitte des Glasrohrs flogen. Der Strom von der Kathode zur Anode könnte durch Ändern der an das Gitter angelegten Spannung gesteuert werden - ein Zickzackdraht, der unter der Platte sichtbar ist.

Fingergroße elektronische Röhren, die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts Signale in unzähligen Radio- und Fernsehempfängern verstärken, sehen möglicherweise ganz anders aus als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-Transistoren oder MOSFETs), die uns regelmäßig mit ihren Fähigkeiten in der modernen digitalen Elektronik überraschen. Aber sie sind vielen gleich. Erstens sind beide dreipolige Geräte. Die an einen Kontakt angelegte Spannung - das Gitter einer einfachen elektronischen Lampentriode oder das Gate eines Transistors - steuert die Strommenge, die zwischen den anderen Kontakten fließt: von der Kathode zur Anode der elektronischen Lampe und von der Source zur Drain im MOSFET. Diese Fähigkeit ermöglicht es diesen Geräten, als Verstärker oder als Schalter zu fungieren.

Der elektrische Strom in der Elektronenröhre fließt jedoch völlig anders als im Transistor. Elektronenröhren arbeiten aufgrund thermionischer Emission : Durch Erhitzen der Kathode werden Elektronen in das umgebende Vakuum geworfen . Der Strom in Transistoren entsteht durch die Diffusion von Elektronen (oder Löchern, Stellen, an denen nicht genügend Elektronen vorhanden sind) zwischen Source und Drain durch das sie trennende feste Halbleitermaterial.

Warum sind elektronische Röhren vor so langer Zeit der Festkörperelektronik gewichen? Zu den Vorteilen von Halbleitern zählen niedrige Kosten, viel kleinere Größe, viel längere Lebensdauer, Effizienz, Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Konstanz. Trotzdem übertrifft Vakuum als reines Medium für die Ladungsübertragung Halbleiter. Elektronen breiten sich leicht im Vakuumhohlraum aus und erfahren Kollisionen in den Atomen eines Festkörpers (Streuung auf einem Kristallgitter). Darüber hinaus ist das Vakuum nicht anfällig für Schäden durch Strahlung, die die Halbleiter beeinflusst, und erzeugt auch weniger Rauschen und Verzerrung als feste Materialien.

Die Nachteile elektronischer Lampen sind nicht so ärgerlich, wenn Sie nur eine kleine Anzahl von ihnen benötigen, um ein Radio oder einen Fernseher zusammenzubauen. In komplexeren Schemata erwiesen sie sich jedoch als schlechter. Zum Beispiel gab es im ENIAC-Computer von 1946 17.468 Lampen, die 150 kW Energie verbrauchten, mehr als 27 Tonnen wogen und fast 200 m ² Platz einnahmen. Und es brach ständig zusammen - jeden oder jeden zweiten Tag ging eine andere Lampe außer Betrieb.


Chip in a Bottle: Die einfachste elektronische Lampe, die verstärkt werden kann, ist eine Triode, die so genannt wird, weil sie drei Elektroden hat: eine Kathode, eine Anode und ein Gitter. Normalerweise weist diese Struktur eine Zylindersymmetrie auf, wenn die Kathode von einem Gitter und das Gitter von einer Anode umgeben ist. Sein Betrieb ähnelt dem eines Feldeffekttransistors - die dem Netz zugeführte Spannung steuert den Strom zwischen zwei anderen Elektroden. Triodenlampen hatten oft fünf Kontakte, um zwei zusätzliche elektrische Kontakte für das erhitzte Filament aufzunehmen.

Die Transistorrevolution hat diesen Problemen ein Ende gesetzt. Die Welle der Änderungen in der Elektronik trat jedoch hauptsächlich nicht auf, weil Halbleiter besondere Vorteile hatten, sondern weil Ingenieure in der Lage waren, Transistoren durch chemisches Gravieren oder Ätzen von Siliziumsubstraten in Massenschaltungen herzustellen und zu kombinieren, um das gewünschte Muster zu erhalten . Mit der Entwicklung der Technologie zur Herstellung integrierter Schaltkreise gelang es ihnen, immer mehr Transistoren auf Mikrochips zu schieben, wodurch die Schaltkreise mit jeder Generation immer komplexer wurden. Außerdem wurde die Elektronik schneller, ohne teurer zu werden.

Dieser Geschwindigkeitsvorteil besteht darin, dass die Transistoren kleiner wurden und die Elektronen in ihnen kleinere Entfernungen von der Source zum Drain zurücklegen mussten, wodurch jeder Transistor schneller ein- und ausgeschaltet werden konnte. Elektronische Lampen waren groß und sperrig, sie mussten separat auf Maschinen hergestellt werden. Obwohl sie sich im Laufe der Jahre verbessert haben, hatten sie nicht die positiven Auswirkungen von Moores Gesetz.

Nach vier Jahrzehnten der Komprimierung der Größe von Transistoren kamen wir jedoch zu dem Schluss, dass die Oxidschicht, die das Gate in einem typischen MOSFET isoliert, eine Dicke von nur wenigen Nanometern erreicht und nur einige zehn Nanometer Source und Drain trennen. Herkömmliche Transistoren können nicht mehr viel weniger. Und die Suche nach immer schnelleren und energieeffizienteren Chips geht weiter. Was wird die nächste Transistortechnologie sein? Die intensive Entwicklung von Nanodrähten , Kohlenstoffnanoröhren und Graphen ist im Gange. Vielleicht wird einer dieser Ansätze die Elektronikindustrie retten. Oder alles wird zilch sein.

Wir entwickeln einen weiteren Kandidaten als Ersatz für den MOSFET, an dem Forscher seit vielen Jahren regelmäßig basteln: einen Transistor mit einem Vakuumkanal. Dies ist das Ergebnis der Kreuzung einer traditionellen elektronischen Lampe mit modernen Technologien zur Herstellung von Halbleitern. Diese merkwürdige Mischung kombiniert die besten Eigenschaften von elektronischen Röhren und Transistoren und kann so klein und billig wie jedes Festkörpergerät hergestellt werden. Es ist die Fähigkeit, sie in einer kleinen Größe herzustellen, die die bekannten Nachteile elektronischer Lampen beseitigt.


Transistor einer elektronischen Lampe: Transistoren mit einem Vakuumkanal erinnern stark an einen Metalloxid-Halbleiter-MOSFET (links). In dem MOSFET erzeugt die an das Gate angelegte Spannung ein elektrisches Feld in dem darunter liegenden Halbleiter. Dieses Feld zieht Ladungsträger in den Kanal zwischen Source und Drain, wodurch Strom fließen kann. In das Gate fließt kein Strom, es ist mit einer dünnen Oxidschicht isoliert. Der von den Autoren entwickelte Vakuumkanaltransistor (rechts) verwendet auch eine dünne Oxidschicht, um das Gate von der Kathode mit der Anode zu isolieren, die scharfe Enden haben, um das elektrische Feld zu verstärken.

In einer elektronischen Lampe wird ein elektrischer Faden, ähnlich einem Glühfaden in Glühbirnen, verwendet, um die Kathode ausreichend zu erwärmen, um Elektronen zu emittieren. Daher benötigen elektronische Lampen Zeit zum Aufwärmen und verbrauchen daher so viel Energie. Und deshalb brennen sie auch so oft aus (oft ist dies auf mikroskopische Leckagen im Glas zurückzuführen). TCEs benötigen jedoch keinen Faden oder eine heiße Kathode. Wenn das Gerät klein genug ist, reicht das elektrische Feld darin aus, um die Elektronen aus der Quelle zu ziehen - dies wird als Feldemission bezeichnet . Durch den Wegfall der energieaufwendigen Heizelemente reduzieren wir den Platzbedarf des Geräts auf dem Chip und machen diesen neuen Transistor energieeffizient.

Ein weiterer Schwachpunkt von Elektronenröhren besteht darin, dass sie ein tiefes Vakuum aufrechterhalten müssen, das normalerweise etwa 1/1000 des atmosphärischen Drucks beträgt, um die Kollision von Elektronen mit Gasmolekülen zu vermeiden. Bei solch niedrigen Drücken bewirkt das elektrische Feld, dass die positiv geladenen Ionen des Restgases die Kathode beschleunigen und bombardieren, wodurch scharfe Nanometervorsprünge erzeugt werden, aufgrund derer sie sich verschlechtern und letztendlich zerstört werden.

Diese seit langem bekannten Probleme der Vakuumelektronik können überwunden werden. Was ist, wenn der Abstand zwischen Kathode und Anode geringer ist als der durchschnittliche Abstand, den ein Elektron zurücklegt, bevor es mit einem Gasmolekül kollidiert - weniger als der durchschnittliche freie Weg ? Dann müssen Sie sich keine Gedanken über Kollisionen zwischen Elektronen und Gasmolekülen machen. Zum Beispiel beträgt der durchschnittliche freie Weg von Elektronen in Luft bei Normaldruck 200 nm, was im Maßstab moderner Transistoren ziemlich viel ist. Wenn Helium anstelle von Luft verwendet wird, erhöht sich der durchschnittliche freie Weg auf 1 Mikron. Dies bedeutet, dass ein Elektron, das durch eine 100 nm breite Lücke geht, mit einer Wahrscheinlichkeit von nur 10% mit dem Gas kollidiert. Wenn Sie die Lücke verkleinern, nimmt die Wahrscheinlichkeit weiter ab.

Aber selbst mit einer geringen Kollisionswahrscheinlichkeit kollidieren viele Elektronen immer noch mit Gasmolekülen. Wenn ein Schlag ein gebundenes Elektron aus einem Molekül stößt, verwandelt es sich in ein positiv geladenes Ion und das elektrische Feld sendet es zur Kathode. Aufgrund des positiven Ionenbeschusses werden Kathoden abgebaut. Daher sollte dieser Prozess nach Möglichkeit vermieden werden.

Glücklicherweise gewinnen Elektronen bei niedriger Spannung nie genug Energie, um Helium zu ionisieren. Wenn daher die Abmessungen des Vakuumtransistors viel kleiner sind als der durchschnittliche elektronenfreie Weg (der leicht zu erreichen ist) und die Betriebsspannung ausreichend niedrig ist (und dies leicht anzuordnen ist), kann das Gerät bei atmosphärischem Druck perfekt arbeiten. Das heißt, in dieser nominell kleinen Vakuumelektronik muss überhaupt kein Vakuum aufrechterhalten werden!

Und wie schaltet man diesen neuen Transistor ein und aus? Bei einer elektronischen Triodenlampe steuern wir den durch sie fließenden Strom und ändern die dem Netz zugeführte Spannung - eine Elektrode ähnlich einem Gitter zwischen Kathode und Anode. Wenn Sie das Gitter näher an der Kathode platzieren, erhöht dies die elektrostatische Steuerung, erhöht aber auch die Strommenge, die auf das Gitter fließt. Im Idealfall sollte überhaupt kein Strom in das Netz fließen, da dies zu Energieverlusten und sogar zum Ausfall der Lampe führt. In der Praxis gibt es jedoch immer einen kleinen Strom.

Um solche Probleme zu vermeiden, steuern wir den Strom in den TCEs auf die gleiche Weise wie im üblichen MOSFET, indem wir eine Gateelektrode verwenden, die ihn mit einem dielektrischen Material (Siliziumdioxid) vom Strom isoliert. Der Isolator überträgt das elektrische Feld dorthin, wo es benötigt wird, und verhindert, dass der Strom durch das Netz fließt.

Wie Sie sehen können, sind TCEs überhaupt kein kompliziertes Gerät. Es funktioniert viel einfacher als alle vorherigen Transistoroptionen.

Obwohl wir uns noch in einem frühen Stadium unserer Forschung befinden, glauben wir, dass die jüngsten Verbesserungen der TCEs eines Tages die Elektronikindustrie ernsthaft beeinträchtigen werden, insbesondere jene Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit wichtig ist. Bei unserem ersten Versuch, einen Prototyp herzustellen, haben wir ein Gerät erhalten, das mit einer Frequenz von 460 GHz betrieben werden kann - etwa zehnmal mehr als die besten Siliziumtransistoren. Dies macht TCEs zu einem vielversprechenden Gerät für die Arbeit in der sogenannten Terahertz-Lücke - der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der über den Mikrowellen und unter dem Infrarotbereich liegt.


Lücke füllen: TCEs versprechen, bei Frequenzen zwischen Mikrowelle und Infrarot zu arbeiten - dieser Bereich des Spektrums wird manchmal als Terahertz-Lücke bezeichnet, da die meisten Halbleiterbauelemente bei solchen Frequenzen kaum arbeiten. Vielversprechende Anwendungsfälle sind die gerichtete Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und die Verfolgung gefährlicher Substanzen.

Solche Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 10 THz sind nützlich für die Erkennung gefährlicher Substanzen und die sichere Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung - und dies sind nur einige Beispiele. Die Verwendung von Terahertz-Wellen ist jedoch schwierig, da herkömmliche Halbleiterbauelemente eine solche Strahlung nicht erzeugen oder erkennen können. Vakuumtransistoren könnten diese Lücke füllen, entschuldigen Sie das Wortspiel. Diese Transistoren könnten in zukünftigen Mikroprozessoren nützlich sein, da das Verfahren ihrer Herstellung vollständig mit der Herstellung herkömmlicher Mikroschaltungen kompatibel ist. Zuvor müssen jedoch mehrere Probleme gelöst werden.

Unser Prototyp TCE wird mit 10 V betrieben, was eine Größenordnung größer ist als die von den Mikroschaltungen verwendete Spannung. Forscher der University of Pittsburgh konnten TCEs jedoch bereits mit 1 oder 2 V betreiben, obwohl dies ernsthafte Kompromisse bei der Designflexibilität erforderte. Wir sind zuversichtlich, dass wir die Spannungsanforderungen auf ein ähnliches Niveau reduzieren und den Abstand zwischen Kathode und Anode verringern können. Die Größe ihres Winkels bestimmt die Konzentration des elektrischen Feldes, und die Zusammensetzung des Kathodenmaterials bestimmt, wie stark ein Feld erforderlich ist, um Elektronen daraus zu extrahieren. Daher können wir möglicherweise die Spannung reduzieren, indem wir Elektroden mit schärferen Spitzen oder einer geeigneteren chemischen Zusammensetzung aufnehmen, die die Barriere verringert, die Elektronen überwinden, wenn sie von der Kathode weglaufen. Dies wird Arbeit sein, um ein Gleichgewicht zu finden, da Änderungen, die zu einer Abnahme der Betriebsspannung führen, die Langzeitstabilität der Elektroden und die Lebensdauer des Transistors verringern.

Der nächste große Schritt besteht darin, eine große Anzahl von TCEs zu erstellen, indem sie auf einer integrierten Schaltung platziert werden. Zu diesem Zweck planen wir, viele vorhandene Tools für die Entwicklung mithilfe eines Computers und einer Software zu verwenden, um den Betrieb integrierter Schaltkreise zu simulieren. Zuvor müssen wir jedoch unsere Computermodelle neuer Transistoren klären und Regeln für den Anschluss einer großen Anzahl von Transistoren entwickeln. Wir müssen auch geeignete Verpackungsmethoden für diese Geräte mit einem Druck von 1 atm entwickeln, die mit Helium gefüllt sind. Höchstwahrscheinlich wird es dafür problemlos möglich sein, die für die Verpackung mikroelektromechanischer Sensoren verwendeten Technologien anzuwenden - Beschleunigungsmesser und Gyroskope.

Natürlich bleibt noch viel zu tun, bevor wir mit der kommerziellen Produktion des Produkts beginnen können. In diesem Fall kann die neue Generation der Vakuumelektronik jedoch mit unerwarteten Fähigkeiten aufwarten. Sie können dies erwarten, sonst befinden Sie sich möglicherweise an der Stelle von Militäranalytikern, die 1976 in Japan die sowjetische MiG-25 studierten: Später stellten sie fest, dass röhrenbasierte Instrumente dem durch eine nukleare Explosion erzeugten elektromagnetischen Impuls besser standhalten können als jede Füllung westlicher Flugzeuge. Und nur dann konnten sie den Wert einer kleinen Menge von nichts erkennen.