Uma curiosa mistura de um tubo de elétrons e um transistor MOS pode um dia substituir o silício tradicional
Em setembro de 1976, no meio da Guerra Fria,
Viktor Ivanovich Belenko , um piloto e desertor soviético, desviou-se de um vôo de treinamento sobre a Sibéria, que ele executou em um avião Mig-25P, rapidamente atravessou o mar do Japão em baixa altitude e pousou o avião em um aeroporto civil Hokkaido, quando o combustível já foi deixado por apenas 30 segundos. Sua repentina traição à sua terra natal tornou-se maná do céu para analistas militares americanos, que tiveram a oportunidade de estudar de perto o caça soviético de alta velocidade, que consideravam uma das aeronaves mais avançadas. Mas o que eles viram os atingiu.
O casco da aeronave ficou mais grosso que o dos caças americanos modernos e consistia principalmente de aço, não de titânio. Os compartimentos dos instrumentos estavam cheios de equipamentos operando em tubos eletrônicos, em vez de transistores. A conclusão óbvia, apesar dos temores predominantes, era que mesmo a tecnologia mais avançada estava irremediavelmente por trás da ocidental.
De fato, nos EUA, lâmpadas eletrônicas [que são chamadas de tubos de vácuo lá / aprox. trans.] deu lugar a dispositivos menores de estado sólido e consumo de energia duas décadas antes, logo após William Shockley, John Bardin e Walter Brattain montarem o primeiro transistor nos Laboratórios Bell em 1947. Em meados da década de 1970, tubos eletrônicos na eletrônica ocidental poderia ser encontrado apenas em vários tipos de equipamentos especiais - sem contar o grande número de tubos de raios catódicos das televisões. Hoje eles desapareceram e, fora dos poucos nichos, as lâmpadas eletrônicas praticamente desapareceram. Portanto, você pode se surpreender com o fato de que algumas mudanças modestas no processo de fabricação de circuitos integrados possam dar vida novamente à eletrônica a vácuo.
Nós
do Ames Research Center da NASA desenvolvemos transistores de canal de vácuo (TCEs) nos últimos anos. Nossa pesquisa ainda está em estágio inicial, mas os protótipos que fizemos demonstram as perspectivas extremamente promissoras desses dispositivos inovadores. Os transistores com um canal de vácuo podem operar 10 vezes mais rápido que o silício convencional e podem trabalhar em frequências terahertz, que há muito estão além das capacidades de qualquer dispositivo de estado sólido. Eles também são muito mais fáceis de tolerar altas temperaturas e radiação. Para entender por que isso acontece, vale a pena entender a criação e operação das
boas e antigas lâmpadas eletrônicas .
Descendente de uma lâmpada incandescente. Os tubos de elétrons eram um resultado natural do desenvolvimento de lâmpadas incandescentes, cujo desenvolvimento foi perseguido ativamente após a pesquisa de Thomas Edison, que estudou a possibilidade de emitir elétrons por filamentos aquecidos. A foto mostra um exemplo inicial da lâmpada Audiion de 1906, que se assemelha fortemente a uma lâmpada incandescente, embora o fio desta lâmpada não seja visível - ela já está queimada há muito tempo. A rosca funcionava como um cátodo, do qual os eletrodos voavam em direção ao ânodo ou placa localizada no centro do tubo de vidro. A corrente do cátodo para o ânodo pode ser controlada alterando a tensão aplicada à rede - um fio em zigue-zague, visível sob a placa.Tubos eletrônicos do tamanho de dedos que amplificam sinais em inúmeros receptores de rádio e televisão na primeira metade do século 20 podem parecer completamente diferentes dos transistores de efeito de campo semicondutores de óxido de metal-semicondutor (transistores MOS ou MOSFETs) que nos surpreendem regularmente com suas capacidades na moderna eletrônica digital. Mas eles são parecidos com muitos. Em primeiro lugar, ambos são dispositivos de três pinos. A tensão aplicada a um contato - a grade de um simples triodo de lâmpada eletrônico ou ao portão de um transistor - controla a quantidade de corrente que passa entre os outros contatos: do cátodo ao ânodo da lâmpada eletrônica e da fonte a drenar no MOSFET. Essa capacidade permite que esses dispositivos funcionem como amplificadores ou como interruptores.
No entanto, a corrente elétrica no tubo de elétrons flui completamente diferente do que no transistor. Os tubos de elétrons funcionam devido à
emissão termiônica : o aquecimento do cátodo faz com que ele
jogue elétrons no vácuo circundante. A corrente nos transistores ocorre devido à difusão de elétrons (ou orifícios, locais onde não há elétrons suficientes) entre a fonte e o dreno através do material semicondutor sólido que os separa.
Por que há tanto tempo os tubos eletrônicos deram lugar aos eletrônicos de estado sólido? Entre as vantagens dos semicondutores estão o baixo custo, tamanho muito menor, vida útil muito mais longa, eficiência, confiabilidade, durabilidade e constância. Mas, por tudo isso, puramente como um meio de transferência de carga, o vácuo supera os semicondutores. Os elétrons se propagam facilmente no vácuo e experimentam colisões nos átomos de um sólido (espalhando-se em uma rede cristalina). Além disso, o vácuo não é suscetível a danos devido à radiação, afetando os semicondutores, e também produz
menos ruído e distorção do que materiais sólidos.
As desvantagens das lâmpadas eletrônicas não são tão irritantes se você precisar de apenas um pequeno número delas para montar um rádio ou televisão. No entanto, em esquemas mais complexos, eles provaram ser piores. Por exemplo, no computador ENIAC de 1946, havia 17.468 lâmpadas, que consumiam 150 kW de energia, pesavam mais de 27 toneladas e ocupavam quase 200 m
2 de espaço. E ele quebrava constantemente - todos os dias ou duas outras lâmpadas ficavam fora de ordem.
Chip em uma garrafa: a lâmpada eletrônica mais simples capaz de amplificação é um triodo, assim chamado por ter três eletrodos: um cátodo, um ânodo e uma grade. Geralmente essa estrutura tem simetria cilíndrica quando o cátodo é cercado por uma grade e a grade é cercada por um ânodo. Sua operação é semelhante à operação de um transistor de efeito de campo - a tensão fornecida à rede controla a corrente entre dois outros eletrodos. As lâmpadas Triode geralmente tinham cinco contatos para acomodar dois contatos elétricos adicionais para o filamento aquecido.A revolução do transistor acabou com esses problemas. No entanto, o eixo das mudanças na eletrônica ocorreu principalmente não porque os semicondutores tinham vantagens especiais, mas porque os engenheiros foram capazes de produzir e combinar transistores em massa em circuitos integrados devido à gravação ou gravação química de substratos de silício para obter o padrão desejado. . Com o desenvolvimento da tecnologia para a produção de circuitos integrados, eles conseguiram empurrar cada vez mais transistores para microchips, o que permitiu que os circuitos se tornassem cada vez mais complexos a cada geração. Além disso, a eletrônica se tornou mais rápida sem se tornar mais cara.
Essa vantagem de velocidade existe porque os transistores se tornaram menores, os elétrons dentro deles tiveram que percorrer distâncias menores da fonte ao dreno, o que permitiu que cada transistor fosse ligado e desligado mais rapidamente. As lâmpadas eletrônicas eram grandes e volumosas, tinham que ser fabricadas separadamente nas máquinas. Embora tenham melhorado ao longo dos anos, não tiveram nada parecido com os efeitos benéficos da lei de Moore.
No entanto, após quatro décadas comprimindo os tamanhos dos transistores, chegamos à conclusão de que a camada de óxido que isola a porta em um MOSFET típico atingiu uma espessura de apenas
alguns nanômetros e apenas algumas dezenas de nanômetros separam a fonte e o dreno. Transistores convencionais não podem mais fazer muito menos. E a busca por chips cada vez mais rápidos e com menor consumo de energia continua. Qual será a próxima tecnologia de transistor? O desenvolvimento intensivo de
nanofios ,
nanotubos de carbono e grafeno está em andamento. Talvez uma dessas abordagens salve a indústria eletrônica. Ou tudo será zilch.
Estamos desenvolvendo mais um candidato para substituir o MOSFET, um que os pesquisadores vêm mexendo periodicamente há muitos anos: um transistor com um canal de vácuo. Esse é o resultado do cruzamento de uma lâmpada eletrônica tradicional e das modernas tecnologias de fabricação de semicondutores. Essa curiosa mistura combina as melhores propriedades de tubos e transistores eletrônicos, e pode ser feita tão pequena e barata quanto qualquer dispositivo de estado sólido. É a capacidade de fabricá-los em um tamanho pequeno que elimina as conhecidas desvantagens das lâmpadas eletrônicas.
Transistor de uma lâmpada eletrônica: os transistores com um canal de vácuo são muito remanescentes de um semicondutor de óxido metálico, MOSFET (à esquerda). No MOSFET, a voltagem aplicada ao portão gera um campo elétrico no semicondutor localizado abaixo. Este campo atrai portadores de carga para o canal entre a fonte e o dreno, o que permite que a corrente flua. Nenhuma corrente flui para o portão, é isolada com uma fina camada de óxido. O transistor de canal de vácuo desenvolvido pelos autores (à direita) também usa uma fina camada de óxido para isolar a porta do cátodo com o ânodo, que possui extremidades afiadas para amplificar o campo elétrico.Em uma lâmpada eletrônica, um filamento elétrico, semelhante a um incandescente de lâmpadas, é usado para aquecer o cátodo o suficiente para começar a emitir elétrons. Portanto, as lâmpadas eletrônicas precisam de tempo para se aquecer e, portanto, usam muita energia. E também, portanto, queimam com tanta frequência (geralmente devido a vazamentos microscópicos no vidro). No entanto, os TCEs não precisam de rosca ou cátodo quente. Se o dispositivo for pequeno o suficiente, o campo elétrico dentro dele será suficiente para puxar os elétrons da fonte - isso é chamado de
emissão de campo . Eliminando os elementos de aquecimento que consomem energia, reduzimos o espaço ocupado pelo dispositivo no chip e tornamos esse novo transistor energeticamente eficiente.
Outro ponto fraco dos tubos de elétrons é que eles precisam manter um vácuo profundo, que geralmente é cerca de 1/1000 da pressão atmosférica, a fim de evitar a colisão de elétrons com moléculas de gás. A baixas pressões, o campo elétrico faz com que os íons carregados positivamente do gás residual acelere e bombardeie o cátodo, criando saliências nanométricas acentuadas, pelas quais ele se degrada e acaba sendo destruído.
Esses problemas conhecidos da eletrônica a vácuo podem ser superados. E se a distância entre o cátodo e o ânodo for menor que a distância média que um elétron percorre antes de colidir com uma molécula de gás - menor que o
caminho livre médio ? Então não será necessário se preocupar com colisões entre elétrons e moléculas de gás. Por exemplo, o caminho livre médio de elétrons no ar à pressão normal é de 200 nm, o que é bastante na escala dos transistores modernos. Se o hélio for usado no lugar do ar, o caminho livre médio aumentará para 1 mícron. Isso significa que um elétron que passa por um intervalo de 100 nm de largura colidirá com o gás com uma probabilidade de apenas 10%. Reduza a diferença e a probabilidade diminuirá ainda mais.
Mas mesmo com uma baixa probabilidade de colisão, muitos elétrons ainda colidem com moléculas de gás. Se um golpe expulsar um elétron de uma molécula, ele se transforma em um íon carregado positivamente e o campo elétrico o envia em direção ao cátodo. Devido ao bombardeio de íons positivos, os cátodos se degradam. Portanto, esse processo deve ser evitado sempre que possível.
Felizmente, a baixa tensão, os elétrons nunca ganham energia suficiente para ionizar o hélio. Portanto, se as dimensões do transistor de vácuo forem muito menores do que o caminho médio livre de elétrons (o que é fácil de alcançar) e a tensão operacional for suficientemente baixa (e isso é fácil de organizar), o dispositivo poderá funcionar perfeitamente à pressão atmosférica. Ou seja, nesta eletrônica a vácuo de tamanho nominal em miniatura, não será necessário manter nenhum vácuo!
E como ligar e desligar esse novo transistor? Em uma lâmpada eletrônica de triodo, controlamos a corrente que flui através dela, alterando a tensão fornecida à rede - um eletrodo semelhante a uma grade localizada entre o cátodo e o ânodo. Se você colocar a grade mais próxima do cátodo, isso aumentará seu controle eletrostático, mas também aumentará a quantidade de corrente que flui para a grade. Idealmente, nenhuma corrente deve fluir para a rede, pois isso leva a perdas de energia e até a falha da lâmpada. Mas, na prática, sempre há uma pequena corrente.
Para evitar esses problemas, controlamos a corrente nos TCEs da mesma maneira que no MOSFET usual, usando um eletrodo de porta que a isola da corrente com um material dielétrico (dióxido de silício). O isolador transfere o campo elétrico para onde é necessário, impedindo que a corrente flua através da rede.
Como você pode ver, os TCEs não são de todo um dispositivo complicado. Funciona muito mais fácil do que qualquer opção anterior de transistor.
Embora ainda estejamos nos estágios iniciais de nossa pesquisa, acreditamos que as recentes melhorias nos TCEs um dia afetarão seriamente a indústria eletrônica, em particular as aplicações em que a velocidade é importante. Em nossa primeira tentativa de fabricar um protótipo, obtivemos um dispositivo que pode operar a uma frequência de 460 GHz - cerca de 10 vezes mais do que os melhores transistores de silício. Isso faz dos TCEs um dispositivo promissor para trabalhar nos chamados intervalo de terahertz - a parte do espectro eletromagnético que está acima das microondas e abaixo da faixa de infravermelho.
Preenchendo a lacuna: os TCEs prometem operar em frequências entre microondas e infravermelho - essa faixa do espectro é às vezes chamada de lacuna de terahertz, uma vez que a maioria dos dispositivos semicondutores quase não trabalha nessas frequências. Os casos de uso promissores incluem transferência direcional de dados em alta velocidade e rastreamento de substâncias perigosas.Essas frequências, na faixa de 0,1 a 10 THz, são úteis para o reconhecimento de substâncias perigosas e a transferência segura de dados em alta velocidade - e esses são apenas alguns exemplos. No entanto, o uso de ondas terahertz é difícil, uma vez que os dispositivos semicondutores tradicionais não podem criar ou reconhecer essa radiação. Transistores a vácuo podem preencher esse vazio, desculpe o trocadilho. Esses transistores podem ser úteis em futuros microprocessadores, já que o método de sua produção é totalmente compatível com a produção de microcircuitos convencionais. No entanto, antes disso, vários problemas devem ser resolvidos.
Nosso protótipo TCE é executado em 10 V, que é uma ordem de grandeza maior que a tensão usada pelos microcircuitos. No entanto, pesquisadores da Universidade de Pittsburgh já conseguiram fabricar TCEs operando em 1 ou 2 V, embora isso exigisse sérios comprometimentos na flexibilidade do projeto. Estamos confiantes de que podemos reduzir os requisitos de tensão para um nível semelhante, reduzindo a distância entre o cátodo e o ânodo. A magnitude de seu ângulo determina a concentração do campo elétrico, e a composição do material do cátodo determina a força de um campo necessário para extrair elétrons dele. Portanto, podemos ser capazes de reduzir a tensão pegando eletrodos com pontas mais nítidas ou uma composição química mais adequada que reduza a barreira que os elétrons superam ao fugir do cátodo. Será um trabalho de encontrar equilíbrio, pois as mudanças que levam a uma diminuição na tensão operacional diminuirão a estabilidade a longo prazo dos eletrodos e a vida útil do transistor.
O próximo grande passo é criar um grande número de TCEs, colocando-os em um circuito integrado. Para isso, planejamos usar muitas ferramentas existentes para desenvolvimento usando um computador e software para simular a operação de circuitos integrados. Porém, antes disso, precisaremos esclarecer nossos modelos de novos transistores e desenvolver regras para conectar um grande número deles. Também precisaremos desenvolver métodos de embalagem adequados para esses dispositivos com uma pressão de 1 atm preenchida com hélio. Provavelmente, para isso, será possível, sem problemas, aplicar as tecnologias usadas para embalar sensores microeletromecânicos - acelerômetros e giroscópios.
Obviamente, ainda há muito trabalho a ser feito antes que possamos iniciar a produção comercial do produto. Mas quando isso acontecer, a nova geração de eletrônicos a vácuo certamente poderá se gabar de recursos inesperados. Você deve esperar isso; caso contrário, poderá se encontrar no lugar de analistas militares que estudaram o MiG-25 soviético no Japão em 1976: mais tarde eles perceberam que instrumentos a base de tubos podem suportar o pulso eletromagnético gerado por uma explosão nuclear, melhor do que qualquer enchimento de aeronaves ocidentais. E só então eles poderiam reconhecer o valor de uma pequena quantidade de nada.