Una curiosa mezcla de un tubo de electrones y un transistor MOS puede algún día reemplazar el silicio tradicional
En septiembre de 1976, en medio de la Guerra Fría,
Viktor Ivanovich Belenko , piloto y desertor soviético, se desvió de un vuelo de entrenamiento sobre Siberia, que realizó en un avión Mig-25P, cruzó rápidamente el Mar de Japón a baja altitud y aterrizó el avión en un aeropuerto civil. Hokkaido, cuando el combustible ya se había dejado solo por 30 segundos. Su repentina traición a su tierra natal se convirtió en maná del cielo para los analistas militares estadounidenses, que primero tuvieron la oportunidad de estudiar de cerca al caza soviético de alta velocidad, que consideraban uno de los aviones más avanzados. Pero lo que vieron les sorprendió.
El casco del avión se hizo más grueso que el de los cazas estadounidenses modernos, y consistía principalmente en acero, no titanio. Los compartimentos de los instrumentos estaban llenos de equipos que funcionaban con tubos electrónicos, en lugar de transistores. La conclusión obvia, a pesar de los temores prevalecientes, fue que incluso la tecnología más avanzada estaba irremediablemente detrás de la occidental.
De hecho, en los Estados Unidos, las lámparas electrónicas [que se llaman tubos de vacío allí / aprox. trans.] dio paso a dispositivos de estado sólido más pequeños y al consumo de energía dos décadas antes, poco después de que William Shockley, John Bardin y Walter Brattain ensamblaran el primer transistor en los Laboratorios Bell en 1947. A mediados de la década de 1970, tubos electrónicos en la electrónica occidental solo se podía encontrar en varios tipos de equipos especiales, sin contar la gran cantidad de tubos de rayos catódicos de los televisores. Hoy han desaparecido, y fuera de los pocos nichos, las lámparas electrónicas prácticamente se han apagado. Por lo tanto, puede sorprenderse de que algunos cambios modestos en el proceso de fabricación de circuitos integrados puedan darle vida nuevamente a la electrónica de vacío.
Nosotros, en
el Centro de Investigación Ames de la NASA, hemos estado desarrollando transistores de canal de vacío (TCE) durante los últimos años. Nuestra investigación aún se encuentra en una etapa temprana, pero los prototipos que hemos realizado demuestran las perspectivas extremadamente prometedoras de estos dispositivos innovadores. Los transistores con un canal de vacío pueden funcionar 10 veces más rápido que el silicio convencional, y pueden funcionar a frecuencias de terahercios, que han estado más allá de las capacidades de cualquier dispositivo de estado sólido. También son mucho más fáciles de tolerar altas temperaturas y radiaciones. Para comprender por qué sucede esto, vale la pena comprender la creación y el funcionamiento de las
buenas lámparas electrónicas antiguas .
Descendiente de una lámpara incandescente. Los tubos de electrones fueron el resultado natural del desarrollo de lámparas incandescentes, cuyo desarrollo se siguió activamente después de la investigación de Thomas Edison, quien estudió la posibilidad de emitir electrones por filamentos calentados. La foto muestra un ejemplo temprano de la lámpara Audiion de 1906, que se parece mucho a una lámpara incandescente, aunque el hilo de esta lámpara no es visible, ya se ha quemado durante mucho tiempo. El hilo funcionaba como un cátodo, desde el cual los electrodos volaban hacia el ánodo o la placa ubicada en el centro del tubo de vidrio. La corriente del cátodo al ánodo podría controlarse cambiando el voltaje aplicado a la red, un cable en zigzag, que es visible debajo de la placa.Los tubos electrónicos del tamaño de un dedo que amplifican señales en innumerables receptores de radio y televisión en la primera mitad del siglo XX pueden parecer completamente diferentes a los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal (transistores MOS o MOSFET) que nos sorprenden regularmente con sus capacidades en electrónica digital moderna. Pero son parecidos para muchos. En primer lugar, ambos son dispositivos de tres pines. El voltaje aplicado a un contacto, la rejilla de un simple triodo de lámpara electrónico o a la puerta del transistor, controla la cantidad de corriente que pasa entre los otros contactos: desde el cátodo hasta el ánodo de la lámpara electrónica y desde la fuente hasta el MOSFET. Esta capacidad permite que estos dispositivos funcionen como amplificadores o interruptores.
Sin embargo, la corriente eléctrica en el tubo de electrones fluye completamente diferente que en el transistor. Los tubos de electrones funcionan debido a
la emisión termiónica : el calentamiento del cátodo hace que
arroje electrones al vacío circundante. La corriente en los transistores ocurre debido a la difusión de electrones (u orificios, lugares donde no hay suficiente electrón) entre la fuente y el drenaje a través del material semiconductor sólido que los separa.
¿Por qué los tubos electrónicos han dado paso hace tanto tiempo a la electrónica de estado sólido? Entre las ventajas de los semiconductores están el bajo costo, un tamaño mucho más pequeño, una vida útil mucho más larga, eficiencia, confiabilidad, durabilidad y constancia. Pero por todo esto, puramente como un medio para la transferencia de carga, el vacío supera a los semiconductores. Los electrones se propagan fácilmente en el vacío del vacío, y experimentan colisiones en los átomos de un sólido (dispersándose en una red cristalina). Además, el vacío no es susceptible al daño debido a la radiación, que afecta a los semiconductores, y también produce
menos ruido y distorsión que los materiales sólidos.
Las desventajas de las lámparas electrónicas no son tan molestas si solo necesita un pequeño número de ellas para armar una radio o televisión. Sin embargo, en esquemas más complejos, resultaron ser peores. Por ejemplo, en la computadora ENIAC de 1946 había 17.468 lámparas, consumía 150 kW de energía, pesaba más de 27 toneladas y ocupaba casi 200 m
2 de espacio. Y se descomponía constantemente: cada uno o dos días se apagaba otra lámpara.
Chip en una botella: la lámpara electrónica más simple capaz de amplificación es un triodo, llamado así porque tiene tres electrodos: un cátodo, un ánodo y una rejilla. Por lo general, esta estructura tiene simetría cilíndrica cuando el cátodo está rodeado por una rejilla y la rejilla está rodeada por un ánodo. Su funcionamiento es similar al funcionamiento de un transistor de efecto de campo: el voltaje suministrado a la red controla la corriente entre otros dos electrodos. Las lámparas Triode a menudo tenían cinco contactos para acomodar dos contactos eléctricos adicionales para el filamento calentado.La revolución del transistor puso fin a estos problemas. Sin embargo, el eje de los cambios en la electrónica se produjo principalmente no porque los semiconductores tuvieran alguna ventaja especial, sino porque los ingenieros pudieron producir en masa y combinar transistores en circuitos integrados debido al grabado químico o grabado de sustratos de silicio para obtener el patrón deseado. . Con el desarrollo de la tecnología para la producción de circuitos integrados, lograron insertar más y más transistores en microchips, lo que permitió que los circuitos se volvieran cada vez más complejos con cada generación. Además, la electrónica se hizo más rápida sin ser más costosa.
Esta ventaja de velocidad existe porque los transistores se hicieron más pequeños, los electrones dentro de ellos tuvieron que viajar distancias más pequeñas desde la fuente hasta el drenaje, lo que permitió que cada transistor se encendiera y apagara más rápido. Las lámparas electrónicas eran grandes y voluminosas, debían fabricarse por separado en máquinas. Aunque han mejorado a lo largo de los años, no tuvieron nada parecido a los efectos beneficiosos de la ley de Moore.
Sin embargo, después de cuatro décadas de comprimir el tamaño de los transistores, llegamos a la conclusión de que la capa de óxido que aisla la puerta en un MOSFET típico alcanzó un grosor de solo unos
pocos nanómetros , y solo unas pocas decenas de nanómetros separan la fuente y el drenaje. Los transistores convencionales ya no pueden hacer mucho menos. Y la búsqueda de chips cada vez más rápidos y con mayor eficiencia energética continúa. ¿Cuál será la próxima tecnología de transistores? El desarrollo intensivo de
nanocables ,
nanotubos de carbono y grafeno está en marcha. Quizás uno de estos enfoques salvará a la industria electrónica. O todo será cero.
Estamos desarrollando otro candidato para reemplazar el MOSFET, uno con el que los investigadores han estado jugando periódicamente durante muchos años: un transistor con un canal de vacío. Este es el resultado de cruzar una lámpara electrónica tradicional y tecnologías modernas de fabricación de semiconductores. Esta curiosa mezcla combina las mejores propiedades de los tubos y transistores electrónicos, y puede fabricarse tan pequeña y barata como cualquier dispositivo de estado sólido. Es la capacidad de hacerlos en un tamaño pequeño que elimina las desventajas bien conocidas de las lámparas electrónicas.
Transistor de una lámpara electrónica: los transistores con un canal de vacío recuerdan mucho a un semiconductor de óxido de metal, MOSFET (izquierda). En el MOSFET, el voltaje aplicado a la puerta genera un campo eléctrico en el semiconductor que se encuentra debajo. Este campo atrae portadores de carga al canal entre la fuente y el drenaje, lo que permite que la corriente fluya. No fluye corriente hacia la puerta; está aislada con una fina capa de óxido. El transistor de canal de vacío desarrollado por los autores (derecha) también utiliza una capa delgada de óxido para aislar la puerta del cátodo con el ánodo, que tiene extremos afilados para amplificar el campo eléctrico.En una lámpara electrónica, se utiliza un filamento eléctrico, similar a un filamento incandescente en las bombillas, para calentar el cátodo lo suficiente como para comenzar a emitir electrones. Por lo tanto, las lámparas electrónicas necesitan tiempo para calentarse y, por lo tanto, consumen mucha energía. Y también, por lo tanto, se queman con tanta frecuencia (a menudo esto se debe a una fuga microscópica en el vidrio). Sin embargo, las ECT no necesitan un hilo o un cátodo caliente. Si el dispositivo se hace lo suficientemente pequeño, entonces el campo eléctrico en su interior será suficiente para extraer los electrones de la fuente, esto se llama
emisión de campo . Al eliminar los elementos calefactores que consumen energía, reducimos el espacio ocupado por el dispositivo en el chip y hacemos que este nuevo transistor sea energéticamente eficiente.
Otro punto débil de los tubos de electrones es que necesitan mantener un vacío profundo, que generalmente es aproximadamente 1/1000 de la presión atmosférica, para evitar la colisión de electrones con moléculas de gas. A presiones tan bajas, el campo eléctrico hace que los iones cargados positivamente del gas residual aceleren y bombardeen el cátodo, creando protuberancias nanométricas afiladas, por lo que se degrada y finalmente se destruye.
Estos problemas conocidos de la electrónica de vacío pueden superarse. ¿Qué sucede si la distancia entre el cátodo y el ánodo es menor que la distancia promedio que recorre un electrón antes de chocar con una molécula de gas, menor que la
trayectoria libre promedio ? Entonces no será necesario preocuparse por las colisiones entre electrones y moléculas de gas. Por ejemplo, el camino libre promedio de los electrones en el aire a presión normal es de 200 nm, que es bastante en la escala de los transistores modernos. Si se usa helio en lugar de aire, el camino libre promedio aumentará a 1 micra. Esto significa que un electrón que pasa a través de un espacio de 100 nm de ancho colisionará con el gas con una probabilidad de solo 10%. Reduzca la brecha y la probabilidad disminuirá aún más.
Pero incluso con una baja probabilidad de colisión, muchos electrones aún chocarán con las moléculas de gas. Si un golpe expulsa un electrón unido de una molécula, se convertirá en un ion cargado positivamente y el campo eléctrico lo enviará hacia el cátodo. Debido al bombardeo de iones positivos, los cátodos se degradan. Por lo tanto, este proceso debe evitarse siempre que sea posible.
Afortunadamente, a bajo voltaje, los electrones nunca obtendrán suficiente energía para ionizar helio. Por lo tanto, si las dimensiones del transistor de vacío son mucho más pequeñas que la ruta libre de electrones promedio (que es fácil de lograr), y el voltaje de funcionamiento es lo suficientemente bajo (y esto es fácil de organizar), entonces el dispositivo puede funcionar perfectamente a presión atmosférica. Es decir, en esta electrónica de vacío de tamaño nominalmente miniatura, ¡no será necesario mantener ningún vacío en absoluto!
¿Y cómo encender y apagar este nuevo transistor? En una lámpara electrónica trioda, controlamos la corriente que fluye a través de ella, cambiando el voltaje suministrado a la red: un electrodo similar a una rejilla ubicada entre el cátodo y el ánodo. Si coloca la rejilla más cerca del cátodo, esto aumentará su control electrostático, pero también aumentará la cantidad de corriente que fluye hacia la rejilla. Idealmente, no debería fluir corriente a la red, ya que esto conduce a pérdidas de energía e incluso a la falla de la lámpara. Pero en la práctica, siempre hay una pequeña corriente.
Para evitar tales problemas, controlamos la corriente en los TCE de la misma manera que en el MOSFET habitual, utilizando un electrodo de puerta que lo aísla de la corriente con un material dieléctrico (dióxido de silicio). El aislante transfiere el campo eléctrico a donde se requiere, evitando que la corriente fluya a través de la red.
Como puede ver, las ECT no son en absoluto un dispositivo complicado. Funciona mucho más fácil que cualquier opción de transistor anterior.
Aunque todavía estamos en las primeras etapas de nuestra investigación, creemos que las mejoras recientes en las ECT algún día afectarán seriamente a la industria electrónica, en particular a aquellas aplicaciones donde la velocidad es importante. En nuestro primer intento de fabricar un prototipo, obtuvimos un dispositivo que puede funcionar a una frecuencia de 460 GHz, aproximadamente 10 veces más que los mejores transistores de silicio. Esto hace que las ECT sean un dispositivo prometedor para trabajar en el llamado brecha de terahercios: esa parte del espectro electromagnético que está por encima de las microondas y por debajo del rango infrarrojo.
Llenar la brecha: las TCE prometen operar a frecuencias entre microondas e infrarrojos; este rango del espectro a veces se denomina brecha de terahercios, ya que la mayoría de los dispositivos semiconductores apenas funcionan a esas frecuencias. Los casos de uso prometedores incluyen la transferencia direccional de datos a alta velocidad y el seguimiento de sustancias peligrosas.Dichas frecuencias, en el rango de 0.1 a 10 THz, son útiles para el reconocimiento de sustancias peligrosas y la transferencia segura de datos a alta velocidad, y estos son solo un par de ejemplos. Sin embargo, el uso de ondas terahercios es difícil, ya que los dispositivos semiconductores tradicionales no pueden crear o reconocer dicha radiación. Los transistores de vacío podrían llenar este vacío, perdón por el juego de palabras. Estos transistores podrían ser útiles en futuros microprocesadores, ya que el método de su producción es totalmente compatible con la producción de microcircuitos convencionales. Sin embargo, antes de esto, se deben resolver varios problemas.
Nuestro prototipo TCE funciona con 10 V, que es un orden de magnitud mayor que el voltaje utilizado por los microcircuitos. Sin embargo, los investigadores de la Universidad de Pittsburgh ya han podido hacer que las ECT funcionen con 1 o 2 V, aunque esto requirió serios compromisos en la flexibilidad del diseño. Estamos seguros de que podemos reducir los requisitos de voltaje a un nivel similar, reduciendo la distancia entre el cátodo y el ánodo. La magnitud de su ángulo determina la concentración del campo eléctrico, y la composición del material del cátodo determina qué tan fuerte se requiere un campo para extraer electrones de él. Por lo tanto, es posible que podamos reducir el voltaje recogiendo electrodos con puntas más afiladas o una composición química más adecuada que reduzca la barrera que los electrones superan al escapar del cátodo. Será un trabajo para encontrar el equilibrio, ya que los cambios que conducen a una disminución en el voltaje de funcionamiento disminuirán la estabilidad a largo plazo de los electrodos y la vida útil del transistor.
El siguiente gran paso es crear una gran cantidad de ECT colocándolas en un circuito integrado. Para esto, planeamos utilizar muchas herramientas existentes para el desarrollo utilizando una computadora y un software para simular el funcionamiento de los circuitos integrados. Pero antes de eso, necesitaremos aclarar nuestros modelos informáticos de nuevos transistores y desarrollar reglas para conectar una gran cantidad de ellos. También tendremos que desarrollar métodos de envasado adecuados para estos dispositivos con una presión de 1 atm llena de helio. Lo más probable es que para esto sea posible sin problemas aplicar las tecnologías utilizadas para el envasado de sensores microelectromecánicos: acelerómetros y giroscopios.
Por supuesto, queda mucho trabajo por hacer antes de que podamos comenzar la producción comercial del producto. Pero cuando esto suceda, la nueva generación de dispositivos electrónicos de vacío ciertamente podrá presumir de capacidades inesperadas. Debería esperar esto, de lo contrario puede encontrarse en el lugar de los analistas militares que estudiaron el MiG-25 soviético en Japón en 1976: más tarde se dieron cuenta de que los instrumentos basados en tubos pueden soportar el pulso electromagnético generado por una explosión nuclear, mejor que cualquier relleno de aviones occidentales. Y solo entonces podrían reconocer el valor de una pequeña cantidad de nada.