Memperkenalkan Transistor Vakum: Perangkat Yang Terbuat Dari Void

Campuran yang aneh dari tabung elektron dan transistor MOS suatu hari nanti bisa menggantikan silikon tradisional

Pada bulan September 1976, di tengah-tengah Perang Dingin, Viktor Ivanovich Belenko , seorang pilot dan pembelot Soviet, menyimpang dari penerbangan pelatihan di atas Siberia, yang ia lakukan dengan pesawat Mig-25P, dengan cepat melintasi Laut Jepang di ketinggian rendah, dan mendaratkan pesawat di bandara sipil Hokkaido, ketika bahan bakar sudah tersisa hanya 30 detik. Pengkhianatannya yang tiba-tiba terhadap tanah airnya menjadi manna dari surga bagi para analis militer Amerika, yang pertama kali memiliki kesempatan untuk mempelajari secara cermat pejuang Soviet berkecepatan tinggi, yang mereka anggap sebagai salah satu pesawat paling canggih. Tetapi apa yang mereka lihat mengejutkan mereka.

Lambung pesawat dibuat lebih kasar daripada pejuang modern Amerika, dan terutama terdiri dari baja, bukan titanium. Kompartemen instrumen diisi dengan peralatan yang beroperasi pada tabung elektronik, bukan transistor. Kesimpulan yang jelas, terlepas dari ketakutan yang ada, adalah bahwa bahkan teknologi paling maju pun tidak ada harapan di belakang yang barat.

Memang, di AS, lampu elektronik [yang disebut tabung vakum ada / kira-kira. trans.] memberi jalan bagi perangkat solid state yang lebih kecil dan konsumsi daya dua dekade sebelumnya, tak lama setelah William Shockley, John Bardin dan Walter Brattain merakit transistor pertama di Bell Laboratories pada tahun 1947. Pada pertengahan 1970-an, tabung elektronik dalam elektronik barat dapat ditemukan hanya di berbagai jenis peralatan khusus - tidak termasuk sejumlah besar tabung sinar katoda televisi. Hari ini mereka telah menghilang, dan di luar beberapa ceruk, lampu elektronik hampir mati. Oleh karena itu, Anda mungkin terkejut bahwa beberapa perubahan kecil dalam proses pembuatan sirkuit terpadu dapat kembali menghidupkan kehidupan menjadi elektronik vakum.

Kami di Pusat Penelitian Ames di NASA telah mengembangkan transistor saluran vakum (TCE) selama beberapa tahun terakhir. Penelitian kami masih pada tahap awal, tetapi prototipe yang kami buat menunjukkan prospek yang sangat menjanjikan dari perangkat inovatif ini. Transistor dengan saluran vakum dapat beroperasi 10 kali lebih cepat dari silikon konvensional, dan mungkin dapat bekerja pada frekuensi terahertz, yang telah lama melampaui kemampuan perangkat solid-state. Mereka juga lebih mudah untuk mentolerir suhu tinggi dan radiasi. Untuk memahami mengapa ini terjadi, perlu dipahami penciptaan dan pengoperasian lampu elektronik tua yang baik .


Keturunan lampu pijar. Tabung elektron adalah hasil alami dari pengembangan lampu pijar, perkembangan yang secara aktif dikejar setelah penelitian Thomas Edison, yang mempelajari kemungkinan memancarkan elektron oleh filamen yang dipanaskan. Foto tersebut menunjukkan contoh awal lampu Audiion dari tahun 1906, yang sangat menyerupai lampu pijar, meskipun benang di lampu ini tidak terlihat - sudah terbakar lama sekali. Thread bekerja sebagai katoda, dari mana elektroda terbang menuju anoda atau pelat yang terletak di tengah tabung gelas. Arus dari katoda ke anoda dapat dikontrol dengan mengubah tegangan yang diberikan ke jaringan - kawat zigzag, yang terlihat di bawah pelat.

Tabung elektronik seukuran jari yang memperkuat sinyal di radio dan penerima radio yang tak terhitung jumlahnya pada paruh pertama abad ke-20 mungkin terlihat sama sekali tidak seperti transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor (transistor MOS atau MOSFET) yang secara teratur membuat kita takjub dengan kemampuan mereka dalam elektronik digital modern. Tetapi mereka sama bagi banyak orang. Pertama, keduanya adalah perangkat tiga pin. Tegangan yang diterapkan pada satu kontak - grid triode lampu elektronik sederhana atau gerbang transistor - mengontrol jumlah arus yang lewat di antara kontak lainnya: dari katoda ke anoda lampu elektronik dan dari sumber ke drain di MOSFET. Kemampuan ini memungkinkan perangkat ini berfungsi sebagai amplifier atau sebagai sakelar.

Namun, arus listrik dalam tabung elektron benar-benar berbeda dari pada transistor. Tabung elektron bekerja karena emisi termionik : memanaskan katoda membuatnya membuang elektron ke dalam vakum di sekitarnya. Arus dalam transistor terjadi karena difusi elektron (atau lubang, tempat di mana tidak ada cukup elektron) antara sumber dan pembuangan melalui bahan semikonduktor padat yang memisahkannya.

Mengapa tabung elektronik dulu memberikan jalan bagi elektronik solid-state? Di antara kelebihan semikonduktor adalah biaya rendah, ukuran jauh lebih kecil, masa pakai lebih lama, efisiensi, keandalan, daya tahan dan keteguhan. Tetapi untuk semua ini, murni sebagai media untuk transfer biaya, vakum mengungguli semikonduktor. Elektron merambat dengan mudah dalam kekosongan hampa udara, dan mereka mengalami benturan dalam atom-atom padatan (berhamburan pada kisi kristal). Selain itu, ruang hampa tidak rentan terhadap kerusakan karena radiasi, mempengaruhi semikonduktor, dan juga menghasilkan lebih sedikit noise dan distorsi daripada bahan padat.

Kerugian dari lampu elektronik tidak begitu mengganggu jika Anda hanya perlu sedikit dari mereka untuk memasang radio atau televisi. Namun, dalam skema yang lebih kompleks, mereka terbukti lebih buruk. Sebagai contoh, pada komputer ENIAC 1946 terdapat 17.468 lampu, ia mengkonsumsi 150 kW energi, beratnya lebih dari 27 ton dan menempati hampir 200 m ² ruang. Dan itu terus-menerus rusak - setiap hari atau dua lampu lainnya rusak.


Chip dalam botol: lampu elektronik paling sederhana yang mampu amplifikasi adalah triode, dinamakan demikian karena memiliki tiga elektroda: katoda, anoda, dan kisi-kisi. Biasanya struktur ini memiliki simetri silindris ketika katoda dikelilingi oleh kisi dan kisi tersebut dikelilingi oleh anoda. Pengoperasiannya mirip dengan operasi efek medan transistor - tegangan yang disuplai ke jaringan mengontrol arus antara dua elektroda lainnya. Lampu triode sering memiliki lima kontak untuk mengakomodasi dua kontak listrik tambahan untuk filamen yang dipanaskan.

Revolusi transistor mengakhiri masalah ini. Namun, poros perubahan dalam elektronik terjadi terutama bukan karena semikonduktor memiliki keunggulan khusus, tetapi karena insinyur dapat memproduksi dan menggabungkan transistor secara massal ke dalam sirkuit terpadu karena ukiran kimia, atau etsa, substrat silikon untuk mendapatkan pola yang diinginkan. . Dengan perkembangan teknologi untuk produksi sirkuit terintegrasi, mereka berhasil mendorong semakin banyak transistor ke microchip, yang memungkinkan sirkuit menjadi semakin kompleks dengan setiap generasi. Juga, elektronik menjadi lebih cepat tanpa menjadi lebih mahal.

Keuntungan kecepatan ini ada karena transistor menjadi lebih kecil, elektron di dalamnya harus menempuh jarak yang lebih kecil dari sumber ke saluran pembuangan, yang memungkinkan setiap transistor dihidupkan dan dimatikan lebih cepat. Lampu elektronik besar dan tebal, mereka harus diproduksi secara terpisah pada mesin. Meskipun mereka telah meningkat selama bertahun-tahun, mereka tidak memiliki efek yang menguntungkan dari hukum Moore.

Namun, setelah empat dekade mengompresi ukuran transistor, kami sampai pada kesimpulan bahwa lapisan oksida yang mengisolasi gerbang dalam MOSFET tipikal mencapai ketebalan hanya beberapa nanometer , dan hanya beberapa puluh nanometer memisahkan sumber dan saluran pembuangan. Transistor konvensional tidak dapat lagi melakukan lebih sedikit. Dan pencarian chip yang lebih cepat dan lebih hemat energi terus berlanjut. Apa yang akan menjadi teknologi transistor berikutnya? Pengembangan intensif kawat nano , carbon nanotube dan graphene sedang berlangsung. Mungkin salah satu dari pendekatan ini akan menyelamatkan industri elektronik. Atau semua akan menjadi nihil.

Kami sedang mengembangkan kandidat lain untuk menggantikan MOSFET, salah satu yang telah diutak-atik oleh para peneliti selama bertahun-tahun: sebuah transistor dengan saluran vakum. Ini adalah hasil dari penyilangan lampu elektronik tradisional dan teknologi manufaktur semikonduktor modern. Campuran yang aneh ini menggabungkan sifat terbaik dari tabung dan transistor elektronik, dan dapat dibuat sekecil dan semurah perangkat solid state apa pun. Ini adalah kemampuan untuk membuatnya dalam ukuran kecil yang menghilangkan kelemahan terkenal dari lampu elektronik.


Transistor dari lampu elektronik: transistor dengan saluran vakum sangat mirip dengan semikonduktor oksida logam, MOSFET (kiri). Di MOSFET, tegangan yang diterapkan ke gerbang menghasilkan medan listrik di semikonduktor yang terletak di bawah. Bidang ini menarik pembawa muatan ke saluran antara sumber dan saluran pembuangan, yang memungkinkan arus mengalir. Tidak ada arus mengalir ke pintu gerbang, itu diisolasi dengan lapisan oksida yang tipis. Transistor saluran vakum yang dikembangkan oleh penulis (kanan) juga menggunakan lapisan oksida tipis untuk mengisolasi gerbang dari katoda dengan anoda, dengan ujung yang tajam untuk meningkatkan medan listrik.

Dalam lampu elektronik, filamen listrik, mirip dengan filamen pijar dalam bola lampu, digunakan untuk memanaskan katoda cukup untuk mulai memancarkan elektron. Oleh karena itu, lampu elektronik memerlukan waktu untuk pemanasan, dan karenanya mereka menggunakan banyak energi. Dan karena itu mereka sering terbakar (seringkali ini disebabkan oleh kebocoran mikroskopis pada kaca). Namun, TCE tidak membutuhkan utas atau katoda panas. Jika perangkat dibuat cukup kecil, maka medan listrik di dalamnya akan cukup untuk menarik elektron dari sumber - ini disebut emisi medan . Menghilangkan elemen pemanas yang menghabiskan energi, kami mengurangi ruang yang ditempati oleh perangkat pada chip, dan membuat transistor baru ini hemat energi.

Titik lemah lain dari tabung elektron adalah bahwa mereka perlu mempertahankan kekosongan yang dalam, yang biasanya sekitar 1/1000 tekanan atmosfer, untuk menghindari tabrakan elektron dengan molekul gas. Pada tekanan rendah seperti itu, medan listrik menyebabkan ion gas residu bermuatan positif untuk mempercepat dan membombardir katoda, menciptakan tonjolan nanometer yang tajam, yang menyebabkannya terdegradasi dan akhirnya dihancurkan.

Masalah elektronik vakum yang sudah lama diketahui ini bisa diatasi. Bagaimana jika jarak antara katoda dan anoda kurang dari jarak rata-rata yang dilalui elektron sebelum bertabrakan dengan molekul gas - kurang dari jalur bebas rata - rata ? Maka tidak perlu khawatir tentang tabrakan antara elektron dan molekul gas. Sebagai contoh, jalur bebas rata-rata elektron di udara pada tekanan normal adalah 200 nm, yang cukup banyak pada skala transistor modern. Jika helium digunakan sebagai pengganti udara, jalur bebas rata-rata akan meningkat menjadi 1 mikron. Ini berarti bahwa elektron yang melewati celah selebar 100 nm akan bertabrakan dengan gas dengan probabilitas hanya 10%. Buat jarak lebih kecil, dan kemungkinannya akan semakin berkurang.

Tetapi bahkan dengan kemungkinan tabrakan yang rendah, banyak elektron masih akan bertabrakan dengan molekul gas. Jika sebuah pukulan mengetuk elektron yang terikat keluar dari molekul, itu akan berubah menjadi ion bermuatan positif, dan medan listrik akan mengirimkannya ke arah katoda. Karena pemboman ion positif, katoda terdegradasi. Karena itu, proses ini harus dihindari sedapat mungkin.

Untungnya, pada tegangan rendah, elektron tidak akan pernah mendapatkan energi yang cukup untuk mengionisasi helium. Oleh karena itu, jika dimensi dari transistor vakum jauh lebih kecil dari jalur bebas elektron rata-rata (yang mudah dicapai), dan tegangan pengoperasian cukup rendah (dan ini mudah diatur), maka perangkat dapat bekerja dengan sempurna pada tekanan atmosfer. Artinya, dalam elektronik vakum berukuran mini ini nominal, tidak perlu untuk mempertahankan vakum sama sekali!

Dan bagaimana cara menghidupkan dan mematikan transistor baru ini? Pada lampu elektronik triode, kami mengontrol arus yang mengalir melaluinya, mengubah tegangan yang dipasok ke jaringan - sebuah elektroda yang mirip dengan kisi yang terletak di antara katoda dan anoda. Jika Anda menempatkan grid lebih dekat ke katoda, ini akan meningkatkan kontrol elektrostatiknya, tetapi juga akan meningkatkan jumlah arus yang mengalir ke grid. Idealnya, tidak ada arus yang mengalir ke grid sama sekali, karena ini menyebabkan hilangnya energi dan bahkan kegagalan lampu. Namun dalam praktiknya, selalu ada arus kecil.

Untuk menghindari masalah seperti itu, kami mengontrol arus di TCE dengan cara yang sama seperti di MOSFET biasa, menggunakan gerbang elektroda yang mengisolasi dari arus dengan bahan dielektrik (silikon dioksida). Insulator mentransfer medan listrik ke tempat yang diperlukan, mencegah arus mengalir melalui jaringan.

Seperti yang Anda lihat, TCE sama sekali bukan perangkat yang rumit. Ini bekerja jauh lebih mudah daripada opsi transistor sebelumnya.

Meskipun kami masih dalam tahap awal penelitian kami, kami percaya bahwa peningkatan TCE baru-baru ini suatu hari akan sangat mempengaruhi industri elektronik, khususnya aplikasi yang kecepatannya penting. Dalam upaya pertama kami untuk membuat prototipe, kami mendapat perangkat yang dapat beroperasi pada frekuensi 460 GHz - sekitar 10 kali lebih banyak daripada transistor silikon terbaik. Ini menjadikan TCE sebagai perangkat yang menjanjikan untuk bekerja dalam apa yang disebut terahertz gap - bagian dari spektrum elektromagnetik yang berada di atas gelombang mikro dan di bawah rentang inframerah.


Mengisi celah: TCE berjanji untuk beroperasi pada frekuensi antara microwave dan inframerah - rentang spektrum ini kadang-kadang disebut kesenjangan terahertz, karena sebagian besar perangkat semikonduktor sulit bekerja pada frekuensi seperti itu. Kasus penggunaan yang menjanjikan termasuk transfer data berkecepatan tinggi terarah dan pelacakan zat berbahaya.

Frekuensi semacam itu, dalam kisaran 0,1 hingga 10 THz, berguna untuk pengenalan zat berbahaya dan transfer data berkecepatan tinggi yang aman - dan ini hanya beberapa contoh. Namun, menggunakan gelombang terahertz sulit, karena perangkat semikonduktor tradisional tidak dapat membuat atau mengenali radiasi tersebut. Transistor vakum bisa mengisi kekosongan ini, maaf untuk permainan kata-katanya. Transistor ini dapat berguna dalam mikroprosesor di masa depan, karena metode produksinya sepenuhnya kompatibel dengan produksi sirkuit mikro konvensional. Namun, sebelum ini, beberapa masalah harus diselesaikan.

TCE prototipe kami berjalan pada 10 V, yang merupakan urutan besarnya lebih besar dari tegangan yang digunakan oleh sirkuit mikro. Namun, para peneliti dari University of Pittsburgh telah mampu membuat TCE beroperasi pada 1 atau 2 V, meskipun ini membutuhkan kompromi serius dalam fleksibilitas desain. Kami yakin bahwa kami dapat mengurangi kebutuhan tegangan ke level yang sama, mengurangi jarak antara katoda dan anoda. Besarnya sudut menentukan konsentrasi medan listrik, dan komposisi bahan katoda menentukan seberapa kuat medan diperlukan untuk mengekstraksi elektron darinya. Oleh karena itu, kita mungkin dapat mengurangi tegangan dengan mengambil elektroda dengan ujung yang lebih tajam atau komposisi kimia yang lebih cocok yang mengurangi penghalang yang diatasi elektron dengan melarikan diri dari katoda. Ini akan menjadi tugas menemukan keseimbangan, karena perubahan yang mengarah pada penurunan tegangan operasi akan menurunkan stabilitas jangka panjang elektroda dan masa pakai transistor.

Langkah besar berikutnya adalah membuat sejumlah besar TCE dengan menempatkannya di sirkuit terintegrasi. Untuk ini, kami berencana untuk menggunakan banyak alat yang ada untuk pengembangan menggunakan komputer dan perangkat lunak untuk mensimulasikan operasi sirkuit terintegrasi. Tetapi sebelum itu, kita perlu mengklarifikasi model komputer kita dari transistor baru, dan mengembangkan aturan untuk menghubungkan sejumlah besar dari mereka. Kita juga perlu mengembangkan metode pengemasan yang cocok untuk perangkat ini dengan tekanan 1 atm yang diisi dengan helium. Kemungkinan besar, untuk ini akan mungkin tanpa masalah untuk menerapkan teknologi yang digunakan untuk pengemasan sensor mikroelektromekanik - akselerometer dan giroskop.

Tentu saja, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan sebelum kita dapat memulai produksi produk secara komersial. Tetapi ketika ini terjadi, generasi baru dari elektronik vakum pasti akan dapat membanggakan kemampuan yang tidak terduga. Anda harus mengharapkan ini, jika tidak, Anda dapat menemukan diri Anda di tempat analis militer yang mempelajari Soviet MiG-25 di Jepang pada tahun 1976: kemudian mereka menyadari bahwa instrumen berbasis tabung dapat menahan denyut elektromagnetik yang dihasilkan oleh ledakan nuklir, lebih baik daripada isian pesawat Barat. Dan hanya pada saat itulah mereka dapat mengenali nilai sejumlah kecil apa pun.