Вакуумный транзистор сможет преодолеть рубеж 1 терагерц

Во второй половине 20 века кремниевые транзисторы (MOSFET) полностью заменили радиолампы в электронных устройствах. Это вполне естественно, учитывая многочисленные преимущества полупроводников: миниатюрность, дешевизна, эффективность, прочность, надёжность, и самое главное — эффективный техпроцесс химического вытравливания транзисторов в интегральных схемах. Технология позволила создавать микрочипы с миллиардами транзисторов. С годами они становились всё меньше, расстояние между истоком и стоком сокращалось, за счёт чего сама собой росла производительность электроники (закон Мура).

Несмотря все перечисленные недостатки, электронные лампы обладают определёнными преимуществами перед транзисторами: сам по себе вакуум — это лучшая среда для передачи электрона, чем твёрдое тело в транзисторе, где возникают помехи из-за столкновения электронов с атомами материала, шумы и искажения. К тому же, радиолампы более устойчивы к радиационным повреждениям.

Теоретически, если бы в обычных транзисторах можно было использовать вакуум, то тогда удалось бы совместить преимущества обеих технологий. Теоретически, вакуумный транзистор может работать на терагерцовых частотах, на порядок быстрее существующих кремниевых аналогов. Сотрудники исследовательского центра NASA Ames давно экспериментируют в этом направлении. Им удалось-таки добиться довольно многообещающих результатов, пишет IEEE Spectrum.

Кремниевые микросхемы подошли к физическим пределам миниатюризации, и сейчас рассматривается несколько направлений дальнейшего развития технологии: углеродные нанотрубки, графен, нанопровода и проч. Вакуум-канальный транзистор (vacuum-channel transistor) дополняет этот список.

В радиолампе электронная нить, похожая на нить в лампе накаливания, нагревает катод до такой степени, что тот испускает электроны. Такая конструкция — причина высокого энергопотребления и низкой надёжности радиоламп, которые часто выгорают. Но в вакуум-канальном транзисторе отсутствует нить накаливания, и катод не нужно нагревать.

Если устройство сделать миниатюрного размера, то эмиссия электронов возможна автоэлектронная эмиссия под действием внешнего электрического поля без предварительного возбуждения электронов.

Проблему с наличием чистого вакуума под давлением инженеры NASA Ames предлагают решить, сократив расстояние между катодом и анодом настолько, что оно становится меньше, чем длина свободного пробега электрона, прежде чем он столкнётся с молекулой газа. При нормальном атмосферном давлении длина свободного пробега электрона составляет около 200 нм. А если использовать гелий, то она увеличивается до 1 мкм. При достаточно низком напряжении у электронов не хватит энергии, чтобы ионизировать гелий, так что деградации катода не должно происходить.

В прототипе вакуумного транзистора NASA Ames для управления транзистором используется стандартный затвор из диоксида кремния, как в MOSFET.

«Хотя наша работа пока находится на ранней стадии, мы считаем, что сделанные нами улучшения в конструкции вакуум-канальных транзисторов могут когда-нибудь оказать значительное влияние на электронную промышленность, особенно в приложениях, где важна производительность, — пишет исследователи. — Наш первый прототип показывает работает на частоте 460 гигагерц, это примерно в 10 раз выше, чем может выдать лучший кремниевый транзистор».

Инженеры считают, что именно вакуумный транзистор первым сможет преодолеть рубеж 1 терагерц.

Правда, нужно решить ещё несколько проблем, в том числе с энергопотреблением. Вакуумный транзистор NASA Ames работает от напряжение 10 вольт. Нужно ещё и найти способ размещения множества вакуумных транзисторов на одной микросхеме.