美科學(xué)家研制出新型真空溝道晶體管

　　雖然真空管曾經(jīng)一度是早期電子元器件的基本核心組件，但是截止到上個(gè)世紀(jì)七十年代，真空管就已基本被半導(dǎo)體晶體管所全部替代?？墒?，近年來(lái)美國(guó)航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心的研究人員一直在開(kāi)發(fā)可將真空管和現(xiàn)代半導(dǎo)體晶體管的優(yōu)勢(shì)融為一體的“納米真空溝道晶體管”(NVCTs, nanoscale vacuum channel transistors)。

　　與傳統(tǒng)晶體管相比，納米真空溝道晶體管的速度更快且對(duì)高溫和輻射等極端環(huán)境的抵抗能力更強(qiáng)。這些優(yōu)勢(shì)使納米真空溝道晶體管成為了抗輻照深空通信、高頻器件和太赫茲電子器件的理想選擇。此外，納米真空溝道器件還有望繼續(xù)延續(xù)即將走向盡頭的摩爾定律。

　　與半導(dǎo)體晶體管相比傳統(tǒng)真空管還有明顯的劣勢(shì)，比較突出的是其體積巨大且能耗嚴(yán)重，正是由于這些原因?qū)е缕渲饾u淘汰。對(duì)于納米真空溝道晶體管來(lái)說(shuō)，尺寸不再是一個(gè)令人擔(dān)心的問(wèn)題，由于在制造器件的過(guò)程中應(yīng)用了現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)，晶體管的尺寸可達(dá)到僅有幾納米的水平。為了解決更為急迫的能耗問(wèn)題，艾姆斯研究中心的研究人員最近又設(shè)計(jì)出了一種硅基納米真空溝道晶體管，該晶體管具有改進(jìn)的柵極結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)電壓從幾十伏減少到不到5伏，從而有效降低了能耗。該研究工作已發(fā)表在最新一期的《納米快報(bào)》上。

　　在納米真空溝道晶體管中，柵極的作用是利用驅(qū)動(dòng)電壓控制電子在源極和漏極之間的流動(dòng)。相反，傳統(tǒng)真空管是通過(guò)加熱器件的發(fā)射極來(lái)釋放電子的。由于電子被發(fā)射后經(jīng)過(guò)的路徑處于真空狀態(tài)，電子的移動(dòng)速度會(huì)很高，這便是真空管運(yùn)行速度快的根本原因。

　　納米真空溝道晶體管中其實(shí)并沒(méi)有實(shí)際意義上的真空環(huán)境，恰恰相反，電子會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)充滿惰性氣體(如氦氣)的空間。由于源漏兩極之間的距離非常小(約50納米左右)，電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與氣體分子發(fā)生碰撞的幾率很低，因此電子在這種“準(zhǔn)真空”環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)速度與在實(shí)際真空中的運(yùn)動(dòng)速度十分接近。即便電子與氣體分子發(fā)生了碰撞，但由于器件的工作電壓很低，氣體分子并不會(huì)被電離。

　　新型真空溝道晶體管的最大的優(yōu)勢(shì)是其對(duì)高溫和電離輻射具有很強(qiáng)的抵抗能力，這使其有望在軍事和空間應(yīng)用領(lǐng)域常見(jiàn)的極端環(huán)境中獲得應(yīng)用。最新的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，納米真空溝道晶體管在高達(dá)200攝氏度的高溫下運(yùn)行時(shí)的性能依然穩(wěn)定。相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管在該溫度下將會(huì)中止運(yùn)行。驗(yàn)證測(cè)試還顯示新型納米真空溝道晶體管具有相當(dāng)強(qiáng)的抵抗伽馬射線和質(zhì)子輻射的能力。

　　未來(lái)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步改善納米真空溝道晶體管的性能。研究計(jì)劃包括器件結(jié)構(gòu)及器件材料屬性的納米尺度建模和對(duì)器件老化機(jī)制的研究，以改善器件的可靠性、延長(zhǎng)器件壽命。