Un curieux mélange d'un tube électronique et d'un transistor MOS pourrait un jour remplacer le silicium traditionnel
En septembre 1976, au milieu de la guerre froide,
Viktor Ivanovich Belenko , pilote et transfuge soviétique, a dévié d'un vol d'entraînement au-dessus de la Sibérie, qu'il a effectué sur un avion Mig-25P, a rapidement traversé la mer du Japon à basse altitude et a atterri l'avion dans un aéroport civil Hokkaido, quand le carburant était déjà parti pour seulement 30 secondes. Sa trahison soudaine de sa patrie est devenue une manne du ciel pour les analystes militaires américains, qui ont d'abord eu l'occasion d'étudier de près le chasseur soviétique à grande vitesse, qu'ils considéraient comme l'un des avions les plus avancés. Mais ce qu'ils ont vu les a frappés.
La coque de l'avion était rendue plus grossière que celle des chasseurs américains modernes, et se composait principalement d'acier, pas de titane. Les compartiments d'instruments étaient remplis d'équipements fonctionnant sur des tubes électroniques plutôt que sur des transistors. La conclusion évidente, malgré les craintes qui prévalaient, était que même la technologie la plus avancée était désespérément derrière la technologie occidentale.
En effet, aux États-Unis, les lampes électroniques [qui y sont appelées tubes à vide / env. trans.] a cédé la place à de plus petits appareils à semi-conducteurs et à une consommation électrique deux décennies auparavant, peu de temps après que William Shockley, John Bardin et Walter Brattain ont assemblé le premier transistor aux laboratoires Bell en 1947. Vers le milieu des années 1970, les tubes électroniques dans l'électronique occidentale ne pouvait être trouvée que dans divers types d'équipements spéciaux - sans compter le grand nombre de tubes cathodiques des téléviseurs. Aujourd'hui, ils ont disparu, et en dehors des quelques niches, les lampes électroniques ont pratiquement disparu. Par conséquent, vous serez peut-être surpris que certains changements modestes dans le processus de fabrication des circuits intégrés puissent à nouveau donner vie à l'électronique sous vide.
Au
Centre de recherche Ames de la NASA, nous développons des transistors à canal sous vide (TCE) depuis quelques années. Nos recherches n'en sont encore qu'à leurs débuts, mais les prototypes que nous avons réalisés démontrent les perspectives extrêmement prometteuses de ces dispositifs innovants. Les transistors avec un canal à vide peuvent fonctionner 10 fois plus rapidement que le silicium conventionnel et peuvent fonctionner à des fréquences térahertz, qui dépassent depuis longtemps les capacités de tout dispositif à semi-conducteurs. Ils tolèrent également beaucoup plus facilement les températures élevées et les radiations. Pour comprendre pourquoi cela se produit, il convient de comprendre la création et le fonctionnement des
bonnes vieilles lampes électroniques .
Descendant d'une lampe à incandescence. Les tubes électroniques sont le résultat naturel du développement des lampes à incandescence, dont le développement a été activement poursuivi après les recherches de Thomas Edison, qui a étudié la possibilité d'émettre des électrons par des filaments chauffés. La photo montre un premier exemple de la lampe Audiion de 1906, qui ressemble fortement à une lampe à incandescence, bien que le fil de cette lampe ne soit pas visible - elle a déjà grillé depuis longtemps. Le fil a fonctionné comme une cathode, à partir de laquelle les électrodes ont volé vers l'anode ou la plaque située au centre du tube de verre. Le courant de la cathode à l'anode pourrait être contrôlé en modifiant la tension appliquée au réseau - un fil en zigzag, qui est visible sous la plaque.Les tubes électroniques de la taille d'un doigt qui amplifient les signaux dans d'innombrables récepteurs de radio et de télévision dans la première moitié du XXe siècle peuvent sembler complètement différents des transistors à effet de champ à oxyde métallique et semi-conducteur (transistors MOS ou MOSFET) qui nous surprennent régulièrement par leurs capacités en électronique numérique moderne. Mais ils sont semblables à beaucoup. Premièrement, ce sont deux appareils à trois broches. La tension appliquée à un contact - la grille d'une simple triode à lampe électronique ou la grille d'un transistor - contrôle la quantité de courant passant entre les autres contacts: de la cathode à l'anode de la lampe électronique et de la source au drain dans le MOSFET. Cette capacité permet à ces appareils de fonctionner comme des amplificateurs ou des commutateurs.
Cependant, le courant électrique dans le tube électronique circule complètement différemment que dans le transistor. Les tubes électroniques fonctionnent en raison de
l'émission thermo-ionique : chauffer la cathode fait qu'elle
jette des électrons dans le vide environnant. Le courant dans les transistors se produit en raison de la diffusion d'électrons (ou trous, endroits où il n'y a pas assez d'électrons) entre la source et le drain à travers le matériau semi-conducteur solide qui les sépare.
Pourquoi les tubes électroniques ont-ils si longtemps cédé la place à l'électronique à semi-conducteurs? Parmi les avantages des semi-conducteurs, citons le faible coût, la taille beaucoup plus petite, la durée de vie beaucoup plus longue, l'efficacité, la fiabilité, la durabilité et la constance. Mais pour tout cela, purement comme moyen de transfert de charge, le vide surpasse les semi-conducteurs. Les électrons se propagent facilement dans le vide sous vide et subissent des collisions dans les atomes d'un solide (diffusion sur un réseau cristallin). De plus, le vide n'est pas susceptible d'être endommagé par le rayonnement, affectant les semi-conducteurs, et produit également
moins de bruit et de distorsion que les matériaux solides.
Les inconvénients des lampes électroniques ne sont pas si ennuyeux si vous n'en avez besoin que d'un petit nombre pour assembler une radio ou une télévision. Cependant, dans des régimes plus complexes, ils se sont avérés être pires. Par exemple, dans l'ordinateur ENIAC de 1946, il y avait 17 468 lampes, il consommait 150 kW d'énergie, pesait plus de 27 tonnes et occupait près de 200 m
2 d' espace. Et elle tombait constamment en panne - chaque jour ou deux, une autre lampe tombait en panne.
Puce dans une bouteille: la lampe électronique la plus simple capable d'amplification est une triode, ainsi nommée car elle possède trois électrodes: une cathode, une anode et une grille. Habituellement, cette structure a une symétrie cylindrique lorsque la cathode est entourée d'une grille et que la grille est entourée d'une anode. Son fonctionnement est similaire à celui d'un transistor à effet de champ - la tension fournie au réseau contrôle le courant entre deux autres électrodes. Les lampes triodes avaient souvent cinq contacts pour accueillir deux contacts électriques supplémentaires pour le filament chauffé.La révolution des transistors a mis fin à ces problèmes. Cependant, l'arbre des changements dans l'électronique ne s'est pas produit principalement parce que les semi-conducteurs avaient des avantages particuliers, mais parce que les ingénieurs ont pu produire en masse et combiner des transistors dans des circuits intégrés en raison de la gravure chimique ou de la gravure de substrats en silicium afin d'obtenir le motif souhaité . Avec le développement de la technologie pour la production de circuits intégrés, ils ont réussi à pousser de plus en plus de transistors sur des puces, ce qui a permis aux circuits de devenir de plus en plus complexes à chaque génération. De plus, l'électronique est devenue plus rapide sans devenir plus chère.
Cet avantage de vitesse existe parce que les transistors sont devenus plus petits, les électrons à l'intérieur ont dû parcourir de plus petites distances de la source au drain, ce qui a permis à chaque transistor d'être activé et désactivé plus rapidement. Les lampes électroniques étaient grandes et encombrantes, elles devaient être fabriquées séparément sur des machines. Bien qu’elles se soient améliorées au fil des ans, elles n’ont rien eu de semblable aux effets bénéfiques de la loi de Moore.
Cependant, après quatre décennies de compression de la taille des transistors, nous sommes arrivés à la conclusion que la couche d'oxyde isolant la grille dans un MOSFET typique avait atteint une épaisseur de
quelques nanomètres seulement et que quelques dizaines de nanomètres séparaient la source et le drain. Les transistors classiques ne peuvent plus faire beaucoup moins. Et la recherche de puces toujours plus rapides et plus économes en énergie se poursuit. Quelle sera la prochaine technologie des transistors? Un développement intensif des
nanofils ,
des nanotubes de carbone et du graphène est en cours. Peut-être qu'une de ces approches sauvera l'industrie électronique. Ou tout sera zilch.
Nous sommes en train de développer un autre candidat pour remplacer le MOSFET, celui avec lequel les chercheurs travaillent périodiquement depuis de nombreuses années: un transistor avec un canal à vide. Ceci est le résultat du croisement d'une lampe électronique traditionnelle et des technologies modernes de fabrication de semi-conducteurs. Ce curieux mélange combine les meilleures propriétés des tubes électroniques et des transistors, et il peut être aussi petit et bon marché que n'importe quel appareil à semi-conducteurs. C'est la possibilité de les fabriquer dans une petite taille qui élimine les inconvénients bien connus des lampes électroniques.
Transistor d'une lampe électronique: les transistors avec un canal à vide rappellent beaucoup un semi-conducteur à oxyde métallique, MOSFET (à gauche). Dans le MOSFET, la tension appliquée à la grille génère un champ électrique dans le semi-conducteur situé en dessous. Ce champ attire les porteurs de charge dans le canal entre la source et le drain, ce qui permet au courant de circuler. Aucun courant ne circule dans la grille, elle est isolée avec une fine couche d'oxyde. Le transistor à canal sous vide développé par les auteurs (à droite) utilise également une fine couche d'oxyde pour isoler la grille de la cathode avec l'anode, qui ont des extrémités pointues pour amplifier le champ électrique.Dans une lampe électronique, un filament électrique, semblable à un filament incandescent dans les ampoules, est utilisé pour chauffer suffisamment la cathode pour commencer à émettre des électrons. Par conséquent, les lampes électroniques ont besoin de temps pour se réchauffer et utilisent donc beaucoup d'énergie. Et aussi donc ils brûlent si souvent (souvent cela est dû à une fuite microscopique dans le verre). Cependant, les expressions culturelles traditionnelles n'ont pas besoin d'un filetage ou d'une cathode chaude. Si l'appareil est suffisamment petit, le champ électrique à l'intérieur sera suffisant pour tirer les électrons de la source - c'est ce qu'on appelle l'
émission de champ . En éliminant les éléments chauffants énergivores, nous réduisons l'espace occupé par le dispositif sur la puce et rendons ce nouveau transistor économe en énergie.
Un autre point faible des tubes électroniques est qu'ils doivent maintenir un vide profond, qui est généralement d'environ 1/1 000 de la pression atmosphérique, afin d'éviter la collision des électrons avec les molécules de gaz. À de si basses pressions, le champ électrique provoque l'accélération et le bombardement de la cathode par les ions chargés positivement du gaz résiduel, créant des saillies nanométriques nettes, à cause desquelles il se dégrade et est finalement détruit.
Ces problèmes connus depuis longtemps de l'électronique sous vide peuvent être surmontés. Que se passe-t-il si la distance entre la cathode et l'anode est inférieure à la distance moyenne parcourue par un électron avant d'entrer en collision avec une molécule de gaz - inférieure
au libre parcours moyen ? Ensuite, il ne sera pas nécessaire de s'inquiéter des collisions entre électrons et molécules de gaz. Par exemple, le libre parcours moyen des électrons dans l'air à pression normale est de 200 nm, ce qui est beaucoup à l'échelle des transistors modernes. Si l'hélium est utilisé à la place de l'air, le libre parcours moyen augmentera à 1 micron. Cela signifie qu'un électron passant à travers un intervalle de 100 nm entrera en collision avec le gaz avec une probabilité de seulement 10%. Réduisez l'écart et la probabilité diminuera encore.
Mais même avec une faible probabilité de collision, de nombreux électrons entreront toujours en collision avec des molécules de gaz. Si un coup frappe un électron lié hors d'une molécule, il se transformera en un ion chargé positivement, et le champ électrique l'enverra vers la cathode. En raison du bombardement d'ions positifs, les cathodes se dégradent. Par conséquent, ce processus doit être évité autant que possible.
Heureusement, à basse tension, les électrons ne gagneront jamais assez d'énergie pour ioniser l'hélium. Par conséquent, si les dimensions du transistor à vide sont beaucoup plus petites que le chemin libre moyen des électrons (ce qui est facile à réaliser), et que la tension de fonctionnement est suffisamment faible (et cela est facile à organiser), alors l'appareil peut fonctionner parfaitement à la pression atmosphérique. Autrement dit, dans cette électronique à vide nominalement miniature, il ne sera pas nécessaire de maintenir le vide du tout!
Et comment activer et désactiver ce nouveau transistor? À une lampe électronique triode, nous contrôlons le courant qui la traverse, en changeant la tension fournie au réseau - une électrode similaire à un réseau situé entre la cathode et l'anode. Si vous placez la grille plus près de la cathode, cela augmentera son contrôle électrostatique, mais cela augmentera également la quantité de courant circulant sur la grille. Idéalement, aucun courant ne devrait circuler sur le réseau, car cela entraîne des pertes d'énergie et même une défaillance de la lampe. Mais en pratique, il y a toujours un petit courant.
Pour éviter de tels problèmes, nous contrôlons le courant dans les TCE de la même manière que dans le MOSFET habituel, en utilisant une électrode de grille qui l'isole du courant avec un matériau diélectrique (dioxyde de silicium). L'isolateur transfère le champ électrique là où il est nécessaire, empêchant le courant de traverser le réseau.
Comme vous pouvez le voir, les expressions culturelles traditionnelles ne sont pas du tout un appareil compliqué. Il fonctionne beaucoup plus facilement que toutes les options de transistor précédentes.
Bien que nous en soyons encore aux premiers stades de nos recherches, nous pensons que les récentes améliorations des expressions culturelles traditionnelles affecteront un jour gravement l'industrie électronique, en particulier les applications où la vitesse est importante. Lors de notre toute première tentative de fabrication d'un prototype, nous avons obtenu un appareil qui peut fonctionner à une fréquence de 460 GHz - environ 10 fois plus que les meilleurs transistors au silicium. Cela fait des expressions culturelles traditionnelles un dispositif prometteur pour travailler dans ce que l'on appelle écart térahertz - la partie du spectre électromagnétique qui est au-dessus des micro-ondes et en dessous de la plage infrarouge.
De telles fréquences, dans la gamme de 0,1 à 10 THz, sont utiles pour la reconnaissance des substances dangereuses et le transfert de données à haute vitesse en toute sécurité - et ce ne sont que quelques exemples. Cependant, l'utilisation d'ondes térahertz est difficile, car les dispositifs semi-conducteurs traditionnels ne peuvent pas créer ou reconnaître un tel rayonnement. Les transistors sous vide pourraient combler ce vide, désolé pour le jeu de mots. Ces transistors pourraient être utiles dans les futurs microprocesseurs, car le procédé de leur production est entièrement compatible avec la production de microcircuits conventionnels. Cependant, avant cela, plusieurs problèmes doivent être résolus.
Notre prototype TCE fonctionne sur 10 V, ce qui est un ordre de grandeur supérieur à la tension utilisée par les microcircuits. Cependant, des chercheurs de l'Université de Pittsburgh ont déjà pu faire fonctionner des expressions culturelles traditionnelles sur 1 ou 2 V, bien que cela ait nécessité de sérieux compromis dans la flexibilité de conception. Nous sommes convaincus que nous pouvons réduire les exigences de tension à un niveau similaire, en réduisant la distance entre la cathode et l'anode. L'amplitude de leur angle détermine la concentration du champ électrique et la composition du matériau de la cathode détermine la force d'un champ nécessaire pour en extraire des électrons. Par conséquent, nous pouvons être en mesure de réduire la tension en ramassant des électrodes avec des pointes plus pointues ou une composition chimique plus appropriée qui réduit la barrière que les électrons franchissent en fuyant la cathode. Ce sera un travail de recherche d'équilibre, car les changements conduisant à une diminution de la tension de fonctionnement diminueront la stabilité à long terme des électrodes et la durée de vie du transistor.
La prochaine grande étape consiste à créer un grand nombre d'expressions culturelles traditionnelles en les plaçant sur un circuit intégré. Pour cela, nous prévoyons d'utiliser de nombreux outils de développement existants à l'aide d'un ordinateur et d'un logiciel pour simuler le fonctionnement des circuits intégrés. Mais avant cela, nous devrons clarifier nos modèles informatiques de nouveaux transistors, et développer des règles pour connecter un grand nombre d'entre eux. Nous devrons également développer des méthodes de conditionnement adaptées pour ces appareils avec une pression de 1 atm remplie d'hélium. Très probablement, pour cela, il sera possible sans aucun problème d'appliquer les technologies utilisées pour l'emballage des capteurs microélectromécaniques - accéléromètres et gyroscopes.
Bien sûr, beaucoup de travail reste à faire avant de pouvoir commencer la production commerciale du produit. Mais lorsque cela se produit, la nouvelle génération d'électronique sous vide pourra certainement se vanter de capacités inattendues. Vous devriez vous y attendre, sinon vous pourriez vous retrouver à la place d'analystes militaires qui ont étudié le MiG-25 soviétique au Japon en 1976: plus tard, ils ont réalisé que les instruments à tube peuvent résister à l'impulsion électromagnétique générée par une explosion nucléaire, mieux que tout bourrage d'avions occidentaux. Et c'est seulement alors qu'ils pouvaient reconnaître la valeur d'une petite quantité de rien.