Vakuumkanaltransistorer kombinerer det bedste fra halvledere og vakuumrør

(Phys.org) – Selvom vakuumrør var de grundlæggende komponenter i tidlige elektroniske enheder, i 1970'erne blev de næsten fuldstændigt erstattet af halvledertransistorer. Men i de sidste par år, forskere har udviklet "vakuumkanaltransistorer i nanoskala" (NVCT'er), der kombinerer det bedste fra vakuumrør og moderne halvledere i en enkelt enhed.

Sammenlignet med konventionelle transistorer, NVCT'er er hurtigere og mere modstandsdygtige over for høje temperaturer og stråling. Disse fordele gør NVCT'er til ideelle kandidater til applikationer såsom strålingstolerant dybrumskommunikation, højfrekvente enheder, og THz elektronik. De er også kandidater til at udvide Moores lov – som siger, at antallet af transistorer på en computerchip fordobles cirka hvert andet år – hvilket forventes snart at ramme en vejspærring på grund af de fysiske begrænsninger af krympende halvledertransistorer.

På den anden side, traditionelle vakuumrør har visse ulemper sammenlignet med halvledertransistorer, hvilket fik dem til at blive forældede. Især vakuumrør er meget store og bruger meget energi.

Med de nye NVCT'er, størrelse er ikke længere et problem, fordi de nye enheder er produceret ved hjælp af moderne halvlederfremstillingsteknikker, og kan derfor gøres så lille som et par nanometer på tværs. Mens traditionelle vakuumrør ligner pærer, NVCT'er ligner mere typiske halvledertransistorer og kan kun ses under et scanningselektronmikroskop.

For at løse det mere presserende spørgsmål om energiforbrug, i en ny undersøgelse forskere Jin-Woo Han, Dong-Il Moon, og M. Meyyappan ved NASA Ames Research Center i Moffett Field, Californien, har designet en siliciumbaseret NVCT med en forbedret gate-struktur, der reducerer drivspændingen fra titusinder af volt til mindre end fem volt, medfører et lavere energiforbrug. Deres arbejde er offentliggjort i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

I en NVCT, porten er den komponent, der modtager drivspændingen og, baseret på denne spænding, det styrer strømmen af ​​elektroner mellem to elektroder. I modsætning, i de gamle vakuumrør, elektroner blev frigivet ved opvarmning af apparatets emitter. Fordi elektronerne rejste gennem et vakuum (vakuumgabet), de bevægede sig med meget høje hastigheder, hvilket førte til den hurtige operation.

I NVCT'er, der er faktisk ikke et vakuum, men i stedet bevæger elektronerne sig over et rum fyldt med en inert gas såsom helium ved atmosfærisk tryk. Da afstanden mellem elektroderne er så lille (så lidt som 50 nm), sandsynligheden for at en elektron kolliderer med et gasmolekyle er meget lav, og så bevæger elektronerne sig lige så hurtigt gennem dette "kvasi-vakuum", som de gør i et faktisk vakuum. Selv med nogle kollisioner, gasmolekylerne ioniseres ikke på grund af den lavere driftsspænding.

Den måske største fordel ved de nye vakuumtransistorer er deres evne til at tolerere høje temperaturer og ioniserende stråling, hvilket gør dem til lovende kandidater til de barske miljøer, der ofte opleves af militær- og rumapplikationer. I den nye undersøgelse, forskerne demonstrerede eksperimentelt, at NVCT'erne fortsætter med at fungere på samme ydeevne ved temperaturer på op til 200 °C, hvorimod konventionelle transistorer ville ophøre med at fungere ved denne temperatur. Tests viste også, at de nye NVCT'er er robuste over for gamma- og protonstråling.

I fremtiden, forskerne planlægger at forbedre ydeevnen af ​​denne "nye gamle" teknologi yderligere.

"Fremtidige forskningsplaner inkluderer enhedsmodelleringsarbejde på nanoskala, herunder struktur og materialeegenskaber, " fortalte Han Phys.org . "Vi planlægger også at studere aldringsmekanismer for at forbedre pålideligheden og levetiden."

© 2017 Phys.org