电子管和MOS晶体管的奇怪混合物可能有一天取代传统的硅
1976年9月，在冷战中，苏联飞行员兼叛逃者
维克多·伊万诺维奇·别连科 （
Viktor Ivanovich Belenko）偏离了他在Mig-25P飞机上进行的西伯利亚上空的训练飞行，迅速越过日本海低空降落，并将飞机降落在民用机场北海道，燃料已经只剩30秒了。 对于美国军事分析家来说，他突然背叛了自己的家园，从天而降成为了梦man，他们首先有机会仔细研究了高速苏维埃战机，他们认为这是最先进的飞机之一。 但是他们看到的东西触动了他们。
飞机的船体比现代美国战斗机的船体更粗，主要由钢而不是钛制成。 仪器室充满了在电子管上操作的设备，而不是晶体管。 尽管存在普遍的担忧，但显而易见的结论是，即使最先进的技术也毫无希望地落后于西方技术。
实际上，在美国，电子灯[在那里被称为真空管/大约 ]在20年前，威廉·肖克利（William Shockley），约翰·巴丁（John Bardin）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）于1947年在贝尔实验室组装了第一个晶体管之后不久，就让位于更小的固态设备和功耗上。到1970年代中期，西方电子产品中的电子管只能在各种类型的专用设备中找到-不计算电视中大量的阴极射线管。 如今，它们已经消失了，除了少数几个壁垒之外，电子灯实际上已经消失了。 因此，您可能会惊讶于集成电路制造过程中的一些适度变化会再次为真空电子产品注入生命。
在过去的几年中，我们位于NASA
的Ames研究中心一直在开发真空通道晶体管（TCE）。 我们的研究仍处于早期阶段，但是我们制作的原型证明了这些创新设备的极具前景。 具有真空通道的晶体管的工作速度比传统硅快10倍，并且可能能够以太赫兹频率工作，而太赫兹频率早已超出任何固态设备的能力。 它们也更容易承受高温和辐射。 要了解为什么会发生这种情况，有必要了解
优质旧电子灯的创建和操作。
白炽灯的后代。 电子管是白炽灯发展的自然结果，其发展是在托马斯·爱迪生（Thomas Edison）的研究之后进行的，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）研究了加热灯丝发射电子的可能性。 该照片显示了1906年的Audiion灯的早期示例，该灯与白炽灯非常相似，尽管该灯中的线不可见-它已经燃烧了很长时间。 该线用作阴极，电极从该线飞向位于玻璃管中心的阳极或板。 从阴极到阳极的电流可以通过改变施加到栅极上的电压（锯齿形导线）来控制，该电压在板下方可见。手指大小的电子管在20世纪上半叶放大无数无线电和电视接收器中的信号，可能看起来与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS晶体管或MOSFET）完全不同，后者使我们对现代数字电子产品的功能赞叹不已。 但是它们对许多人都是相似的。 首先，它们都是三针设备。 施加到一个接点（简单的电子灯三极管的栅极或晶体管的栅极）的电压控制在其他接点之间通过的电流量：从电子灯的阴极到阳极以及从MOSFET中的源极到漏极。 这种能力使这些设备可以用作放大器或开关。
但是，电子管中的电流与晶体管中的电流完全不同。 电子管由于
热电子发射而工作：加热阴极会使阴极
将电子扔到周围的真空中。 晶体管中的电流是由于源极和漏极之间通过固体半导体材料将电子（或空穴，电子在其中没有足够的位置）扩散而发生的。
为什么电子管这么久以前就被固态电子技术所取代？ 半导体的优点包括低成本，小得多的尺寸，更长的使用寿命，效率，可靠性，耐用性和稳定性。 但对于所有这些，真空纯粹作为电荷转移的媒介，其性能优于半导体。 电子在真空中很容易传播，它们在固体原子中发生碰撞（在晶格上散射）。 而且，真空不易因辐射而损坏，从而影响半导体，并且
与固体材料相比，产生的
噪声和失真也
较小 。
如果只需要少量的电子灯来组装收音机或电视机，电子灯的缺点就不会那么令人讨厌。 但是，在更复杂的方案中，事实证明情况更糟。 例如，在1946年的ENIAC计算机中，有17,468盏灯，它消耗了150 kW的能量，重达27吨以上，占据了近200 m
2的空间。 而且它不断发生故障-每天或另外两盏灯失灵。
装在瓶子中的芯片：能够放大的最简单的电子灯是三极管，之所以命名，是因为它具有三个电极：阴极，阳极和栅极。 通常，当阴极被栅极包围并且栅极被阳极包围时，该结构具有圆柱对称性。 它的操作类似于场效应晶体管的操作-提供给栅极的电压控制两个其他电极之间的电流。 三极管灯通常具有五个触点，以容纳用于加热灯丝的两个附加电触点。晶体管革命结束了这些问题。 但是，发生电子变革的主要原因不是因为半导体具有任何特殊优势，而是因为工程师能够通过化学刻蚀或蚀刻硅基板以获得所需的图案，从而能够批量生产晶体管并将其组合成集成电路。 随着集成电路生产技术的发展，他们设法将越来越多的晶体管推到微芯片上，这使得电路的每一代变得越来越复杂。 同样，电子设备变得更快而又不会变得更昂贵。
之所以具有这种速度优势，是因为晶体管变得越来越小，它们内部的电子必须从源极到漏极传播更短的距离，这使得每个晶体管的开启和关闭都更快。 电子灯又大又笨，必须在机器上单独制造。 尽管这些年来已经有所改善，但它们却没有摩尔定律的有益效果。
然而，经过四十年的压缩晶体管尺寸，我们得出的结论是，在典型的MOSFET中使栅极绝缘的氧化层的厚度只有
几纳米 ，而源极和漏极之间只有几十纳米。 传统的晶体管再也不能做得更少。 而且，寻找更快，更节能的芯片的工作仍在继续。 下一个晶体管技术将是什么？
纳米线 ，
碳纳米管和石墨烯的密集开发正在进行中。 这些方法之一可能会拯救电子行业。 否则一切都会变得迟钝。
我们正在开发另一种替代MOSFET的候选人，这是研究人员定期修补的多年：具有真空通道的晶体管。 这是跨越传统电子灯和现代半导体制造技术的结果。 这种奇特的混合物结合了电子管和晶体管的最佳性能，并且可以像任何固态设备一样小而便宜地制成。 使其具有小尺寸的能力消除了电子灯的众所周知的缺点。
电子灯的晶体管：带有真空通道的晶体管非常类似于金属氧化物半导体MOSFET（左）。 在MOSFET中，施加到栅极的电压会在下方的半导体中产生电场。 该场将电荷载流子吸引到源极和漏极之间的通道中，从而允许电流流动。 没有电流流入栅极；它被一薄层氧化物绝缘。 作者（右）开发的真空通道晶体管还使用薄的氧化层将栅极与阴极和阳极隔离，阳极具有尖锐的末端以放大电场。在电子灯中，类似于灯泡中的白炽灯丝的电灯丝被用来加热阴极到足以开始发射电子。 因此，电子灯需要时间来预热，因此它们消耗了很多能量。 因此，它们也经常燃烧掉（通常是由于玻璃中的微小泄漏）。 但是，TCE不需要螺纹或热阴极。 如果器件足够小，则其内部的电场足以将电子从源中拉出-这称为
场发射 。 消除了耗能的加热元件，我们减少了芯片上器件占用的空间，并使这种新型晶体管更加节能。
电子管的另一个弱点是它们需要保持深真空，通常约为大气压的1/1000，以避免电子与气体分子的碰撞。 在如此低的压力下，电场使残留气体的带正电的离子加速并轰击阴极，形成尖锐的纳米突起，由于该突起而降解并最终被破坏。
真空电子设备的这些众所周知的问题可以克服。 如果阴极和阳极之间的距离小于电子在与气体分子碰撞之前传播的平均距离而小于
平均自由程，该怎么办？ 这样就不必担心电子和气体分子之间的碰撞。 例如，常压下空气中电子的平均自由程为200 nm，这在现代晶体管的规模上是相当大的。 如果使用氦气代替空气，则平均自由程将增加到1微米。 这意味着，穿过100 nm宽的间隙的电子将与气体碰撞，发生概率仅为10％。 缩小间隙，可能性将进一步降低。
但是即使发生碰撞的可能性很小，许多电子仍会与气体分子碰撞。 如果吹气将束缚的电子从分子中敲除，它将变成带正电的离子，电场会将其发送到阴极。 由于正离子轰击，阴极退化。 因此，应尽可能避免此过程。
幸运的是，在低压下，电子将永远不会获得足够的能量来使氦离子化。 因此，如果真空晶体管的尺寸比平均电子自由路径小得多（这很容易实现），并且工作电压足够低（这很容易布置），则该设备可以在大气压下完美工作。 也就是说，在这种名义上微型的真空电子设备中，根本不需要保持任何真空！
以及如何打开和关闭这个新晶体管？ 在三极管电子灯中，我们控制流过它的电流，改变提供给栅极的电压-类似于位于阴极和阳极之间的光栅的电极。 如果将栅极放置在更靠近阴极的位置，这将增强其静电控制能力，但同时也会增加流到栅极上的电流量。 理想情况下，根本不应该有电流流向电网，因为这会导致能量损失，甚至导致灯泡故障。 但实际上，总会有小电流。
为避免此类问题，我们使用与栅极MOSFET绝缘的栅极电极，通过介电材料（二氧化硅）将电流与电流绝缘，从而以与普通MOSFET相同的方式控制TCE中的电流。 绝缘子将电场传递到需要的地方，从而防止电流流过电网。
如您所见，TCE根本不是复杂的设备。 它比以前的任何晶体管选件容易得多。
尽管我们仍处于研究的早期阶段，但我们认为，TCE的最新改进将有一天严重影响电子行业，特别是那些对速度至关重要的应用。 在我们首次尝试制造原型的过程中，我们得到了一种可以在460 GHz频率下工作的设备-比最佳硅晶体管高出约10倍。 这使传统文化表现形式成为在所谓的 太赫兹间隙-电磁波频谱中高于微波且低于红外范围的部分。
填补空白：TCE有望在微波和红外线之间的频率下工作-该频谱范围有时称为太赫兹间隙，因为大多数半导体器件几乎都无法在这样的频率下工作。 有希望的用例包括定向高速数据传输和有害物质跟踪。这样的频率范围从0.1到10 THz，可用于识别有害物质和安全的高速数据传输-这些仅是几个示例。 然而，使用太赫兹波是困难的，因为传统的半导体器件不能产生或识别这种辐射。 真空晶体管可以填补这个空白，对不起。 这些晶体管在未来的微处理器中可能会有用，因为它们的生产方法与常规微电路的生产完全兼容。 但是，在此之前，必须解决几个问题。
我们的原型TCE的工作电压为10 V，这比微电路使用的电压高一个数量级。 但是，匹兹堡大学的研究人员已经能够使TCE在1或2 V的电压下运行，尽管这需要在设计灵活性上做出重大妥协。 我们有信心可以将电压要求降低到类似水平，从而缩短阴极和阳极之间的距离。 它们角度的大小决定了电场的集中度，阴极材料的成分决定了从中提取电子所需的电场强度。 因此，我们可能能够通过捡起尖锐的电极或更合适的化学成分来降低电压，从而减少电子因脱离阴极而克服的势垒。 找到平衡是一项工作，因为导致工作电压降低的变化会降低电极的长期稳定性和晶体管的寿命。
下一步是将大量TCE放置在集成电路上，以创建大量TCE。 为此，我们计划使用许多现有的工具进行开发，这些工具使用计算机和软件来模拟集成电路的操作。 但是在此之前，我们将需要弄清新晶体管的计算机模型，并制定连接大量新晶体管的规则。 我们还将需要为压力为1个大气压的氦气填充的这些设备开发合适的包装方法。 为此，很可能会毫无问题地应用用于封装微机电传感器的技术-加速度计和陀螺仪。
当然，在我们可以开始产品的商业化生产之前，还有很多工作要做。 但是，当发生这种情况时，新一代真空电子设备肯定会拥有出乎意料的功能。 您应该对此有所期待，否则您可能会发现自己取代了1976年在日本研究过苏联MiG-25的军事分析家：后来他们意识到，基于管状的仪器可以承受核爆炸产生的电磁脉冲，比任何西方飞机的填料都更好。 只有到那时，他们才能认识到少量一无所有的价值。