美科學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，但是截止到上個世紀七十年代，真空管就已基本被半導體晶體管所全部替代?？墒?，近年來美國航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心的研究人員一直在開發(fā)可將真空管和現(xiàn)代半導體晶體管的優(yōu)勢融為一體的“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高溫和輻射等極端環(huán)境的抵抗能力更強。這些優(yōu)勢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。

　　與半導體晶體管相比傳統(tǒng)真空管還有明顯的劣勢，比較突出的是其體積巨大且能耗嚴重，正是由于這些原因?qū)е缕渲饾u淘汰。對于納米真空溝道晶體管來說，尺寸不再是一個令人擔心的問題，由于在制造器件的過程中應用了現(xiàn)代半導體制造技術(shù)，晶體管的尺寸可達到僅有幾納米的水平。為了解決更為急迫的能耗問題，艾姆斯研究中心的研究人員最近又設計出了一種硅基納米真空溝道晶體管，該晶體管具有改進的柵極結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動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》上。

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

　　納米真空溝道晶體管中其實并沒有實際意義上的真空環(huán)境，恰恰相反，電子會經(jīng)過一個充滿惰性氣體(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)，電子在運動過程中與氣體分子發(fā)生碰撞的幾率很低，因此電子在這種“準真空”環(huán)境中的運動速度與在實際真空中的運動速度十分接近。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，氣體分子并不會被電離。

　　新型真空溝道晶體管的最大的優(yōu)勢是其對高溫和電離輻射具有很強的抵抗能力，這使其有望在軍事和空間應用領(lǐng)域常見的極端環(huán)境中獲得應用。最新的實驗研究結(jié)果顯示，納米真空溝道晶體管在高達200攝氏度的高溫下運行時的性能依然穩(wěn)定。相比之下，傳統(tǒng)半導體晶體管在該溫度下將會中止運行。驗證測試還顯示新型納米真空溝道晶體管具有相當強的抵抗伽馬射線和質(zhì)子輻射的能力。

　　未來，研究人員計劃進一步改善納米真空溝道晶體管的性能。研究計劃包括器件結(jié)構(gòu)及器件材料屬性的納米尺度建模和對器件老化機制的研究，以改善器件的可靠性、延長器件壽命。