真空晶體管要取代傳統(tǒng)的硅晶體管？

1976年9月，在冷戰(zhàn)中期，一名心懷不滿的蘇聯(lián)飛行員——維克多?伊萬諾維奇?別連科在西伯利亞上空的一次飛行訓練中，駕駛著他的米格-25狐蝠式戰(zhàn)斗機偏離了航道，低空快速飛越了日本海，降落在北海道的一座民用機場，降落時剩下的燃料只夠再維持30秒飛行。他的戲劇性倒戈對美國軍事分析家來說是一種恩賜，使他們第一次有機會近距離審視這種高速的蘇聯(lián)戰(zhàn)斗機，他們曾認為這種戰(zhàn)斗機是世界上最先進的飛機之一。但他們的發(fā)現(xiàn)使他們感到震驚。

首先，該飛機的機身比那些美國的當代戰(zhàn)機粗糙，大部分是由鋼制成的，而不是鈦金屬。更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)該飛機的航空電子設備艙裝滿了基于真空管而非晶體管的設備。不論先前人們對其懷有何種畏懼心理，顯而易見的是，即使是蘇聯(lián)最尖端的技術也可笑地落后于西方了。 畢竟，在美國，真空管二十多年前就已經讓位給了體積更小、耗電更少的固態(tài)器件了。

1947年，威廉?肖克利（WilliamShockley）、約翰?巴?。↗ohn Bardeen）和沃爾特?布拉頓（Walter Brattain）在貝爾實驗室拼湊出第一個晶體管，不久真空管就被淘汰了。到了70年代中期，在西方電子領域能找到的為數(shù)不多的真空管隱藏于某些專業(yè)設備中——這不包括電視機廣泛使用的顯像管。

今天，即使是那些真空管也消失了，除了幾個特殊領域外，真空管已經是一種滅絕的技術了。因此，了解到目前集成電路制造技術的一些變化可能使真空電子起死回生，人們可能會感到驚訝。 過去的幾年里，在NASA艾姆斯研究中心，我們一直在努力開發(fā)真空通道晶體管。我們的研究還處于早期階段，但我們構建的原型顯示，這種新型設備擁有非凡的潛力。

真空通道晶體管比普通硅晶體管快10倍，并最終可能在太赫茲頻率上運行，這遠遠超出了任何固態(tài)設備的范圍，而且它們承受熱和輻射的能力也更高。要理解其原因，了解一些關于老式真空管的制造及運行的情況會有所幫助。 在20世紀上半葉，擴增無數(shù)收音機和電視機信號的拇指大小的真空管可能跟今天通常令我們目不暇接的數(shù)碼電子產品中的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）看起來一點也不相像。

但在許多方面，它們是非常相似的。其一，它們都是三端器件。電壓施加到一個終端——一個簡單三極真空管的和MOSFET的柵極——控制流過另兩個終端的電流：真空管是從陰極到陽極，MOSFET則是從源極到漏極。這種能力使這些器件能夠充當放大器，或者，如果有足夠的偏壓，可以充當開關。

但是，真空管中電流的流動與晶體管中電流的流動有很大的區(qū)別。真空管依靠一種叫做熱電子發(fā)射的過程：加熱陰極，使其向周圍的真空釋放出電子。而晶體管中的電流來自于源極和漏極之間的電子（或“空穴”，即缺失電子的空位）在分開它們的固體半導體材料中的漂移和擴散。 為什么真空管在幾十年前就讓位給了固態(tài)電子呢？

半導體的優(yōu)點包括成本更低，尺寸更小，壽命更長，效率更高，耐用性、可靠性和一致性更強。盡管半導體有這些優(yōu)點，但當純粹作為輸送電荷的介質來考慮時，真空管仍優(yōu)于半導體。電子能自由地在真空中傳播，而它們在固態(tài)電子中就會與原子發(fā)生碰撞（這一過程被稱為晶體晶格散射）。更重要的是，真空管不容易產生困擾半導體的那種輻射損傷，并且它比固態(tài)材料產生的噪聲更少、失真更小。

然而，當年只需要少數(shù)幾個真空管來運行收音機或電視機時，它的缺點并不那么令人頭痛，但對于更復雜的電路來說就很麻煩了。例如，1946年的ENIAC計算機使用了17468個真空管，功率為150千瓦，重量超過27噸，占去了近200平方米的樓面空間。

而且它總是不停的當機，每一兩天就有一個真空管失靈。 晶體管革命終止了這種挫折。但隨之而來的電子領域的巨大變化，與其說是由于半導體的固有優(yōu)點，還不如說是由于工程師獲得了能夠大量生產晶體管，并通過化學雕刻或蝕刻將晶體管與集成電路相結合，使其成為擁有適當圖案的硅晶片的能力。

隨著集成電路制造技術的進步，越來越多的晶體管可被擠壓到微型芯片上，使電路一代比一代精細化。而電子產品的運行速度也在不增加成本的前提下變得越來越快。 這一速度優(yōu)勢是由于，隨著晶體管變得更小，電子在源極和漏極之間移動的距離變得越來越短，這使每個晶體管能夠被更迅速地開啟和關閉。

而真空管又大又笨重，必須通過機械加工逐個制造。在多年的改進過程中，真空管從未受益于摩爾定律。 但晶體管經過40年的瘦身，現(xiàn)在典型的MOSFET柵極絕緣的氧化層只有幾納米厚，源極和漏極之間的距離只有幾十納米。傳統(tǒng)的晶體管真的無法再小了。盡管如此，對于更快、更高效的芯片的追求仍在繼續(xù)。未來的晶體管技術是什么樣的呢？納米線、碳納米管以及石墨烯都在緊鑼密鼓地開發(fā)。

也許，這些方法中的某一種將重塑電子行業(yè)。又或許，它們都會不了了之。 ━━━ ━━━我們一直在努力開發(fā)另一項備選技術來取代MOSFET，多年來研究人員一直在斷斷續(xù)續(xù)地對其進行嘗試：那就是真空通道晶體管。它是傳統(tǒng)的真空管技術和現(xiàn)代半導體制造技術的聯(lián)姻。

這種奇特的混合技術融合了真空管和晶體管的最好的方面，并且可以像其他所有固態(tài)設備一樣實現(xiàn)體積小、價格低的優(yōu)點。的確，使它們的體積變小可以消除真空管眾所周知的缺點。真空管中的電熱絲類似于白熾燈泡中的燈絲，被用來加熱陰極，使其發(fā)射電子。這就是真空管需要時間來預熱，并且電力消耗如此大的原因。

這也是它們經常會燒壞（通常是由于真空管玻璃封套的微小泄漏所致）的原因。但真空通道晶體管不需要電熱絲或熱陰極。如果這種器件被制造得足夠小，則穿過它的電場足以通過一個被稱為場致發(fā)射的過程從源極吸取電子。消除了損耗功率的加熱因素就會降低每個器件在芯片上占用的面積，同樣也使這種新型晶體管具有更高的能效。

真空管的另一個弱點是，它們必須保持高度真空，通常為約千分之一的大氣壓，以避免電子與氣體分子之間的碰撞。在這樣的低氣壓下，電場會使真空管的殘余氣體中產生的正離子加速并轟擊陰極，形成鋒利的、納米級的凸起，這會使其性能下降，并最終造成損毀。 真空電子產品這些長期存在的問題并非是不可克服的。

如果陰極和陽極之間的距離小于電子在撞擊到氣體分子前行進的平均距離（被稱為平均自由程）會怎樣呢？這樣，你就不必擔心電子與氣體分子之間的碰撞了。例如，在標準大氣壓下，空氣中電子的平均自由程約為200納米，這對于今天的晶體管來說是相當大的。用氦代替空氣，則平均自由程上升至約1微米。這意味著，在氦氣中穿行100納米距離的電子與氣體分子碰撞的概率約為10%。繼續(xù)縮小距離，則碰撞的幾率進一步減小。

但是，即使碰撞的概率很低，許多電子仍然會與氣體分子發(fā)生碰撞。如果碰撞把氣體分子中被束縛的電子撞出來，那么氣體分子就會成為帶正電荷的離子，這意味著電場將使它飛向陰極。在所有這些正離子的轟擊下，陰極的性能就會下降。所以，必須盡可能避免這種情況發(fā)生。 幸運的是，如果保持低電壓，電子將永遠不會獲得足夠的能量使氦發(fā)生電離。

因此，如果真空晶體管的尺寸比電子的平均自由程小得多（這并不難實現(xiàn)），并且工作電壓足夠低（這也不難），器件就可以在標準大氣壓下正常工作。也就是說，其實，對于名義上的微型“真空”電子器件，完全不需要保持任何形式的真空！ 但如何開關這種新型晶體管呢？

對于三極真空管，可以通過改變施加在柵極（位于陰極和陽極之間的一個網(wǎng)狀電極）上的電壓控制通過它的電流。將柵極放置在靠近陰極的地方會增強柵極的靜電控制，盡管距離過近可能會增加流入柵極的電流。在理想情況下，不會有電流流入柵極，因為這會浪費能量，甚至會導致真空管發(fā)生故障。

但在實踐中，總會有一點柵極電流。 為了避免這種問題，與在普通的MOSFET中一樣，我們在真空通道晶體管中控制電流，利用具有絕緣介電材料（二氧化硅）的柵電極，使之與電流通道分離。電介質絕緣體將電場轉移到需要它的地方，同時防止電流流入柵極。

所以，真空通道晶體管并不復雜。事實上，它的運作方式比任何在它之前出現(xiàn)的各種晶體管都更簡單。 ━━━ ━━━盡管我們仍處于研究的早期階段，但我們相信，在真空通道晶體管領域取得的最新進展最終會對電子行業(yè)產生巨大的影響，特別是對于那些速度至上的應用。我們利用最初制造出的原型生產出了能夠在460千兆赫下工作的器件——這大約是硅晶體管能夠達到的最高頻率的10倍。

這使真空通道晶體管能在被稱為“太赫茲空隙”的區(qū)間（即微波以上、紅外線以下的電磁光譜區(qū)間）內工作，且潛力巨大。 這些約0.1至10太赫茲的頻率，可用于檢測有害物質、進行安全高速通信等應用。但太赫茲波很難加以利用，因為傳統(tǒng)的半導體不能夠產生或探測出這種輻射。而真空晶體管或許可以填補這一空白。這些晶體管將來也可能被用于未來的微處理器，其制造方法與傳統(tǒng)的CMOS制造完全兼容。但在此之前，還有一些問題需要解決。

我們的原型真空晶體管是在10伏的電壓下工作的，這要比現(xiàn)代的CMOS芯片使用的電壓高一個數(shù)量級。但美國匹茲堡大學的研究人員已經能夠制造出在僅有1到2伏的電壓下工作的真空晶體管了，盡管他們在設計的靈活性方面作了大量妥協(xié)。我們相信，通過縮小陰極和陽極之間的距離，可以將真空晶體管的電壓要求降低到類似的水平。

另外，這些電極的尖銳程度決定了它們對電場的增強程度，并且陰極材料的組成決定了從電場中提取電子所需的電場大小。因此，通過設計出更尖銳的電極或更利于降低電子從陰極逸出的門檻的化學合成物，我們還可能降低所需的電壓。這無疑將是一個權衡之舉，因為為降低工作電壓而作出的改變可能會損害電極的長期穩(wěn)定性，從而影響晶體管的壽命。

下一個重要步驟是，將真空通道晶體管大量應用到集成電路中。為此，我們應該利用許多為構建CMOS集成電路開發(fā)的現(xiàn)有計算機輔助設計工具和仿真軟件。但是，在邁出這一步之前，需要為這種新型晶體管完善計算機模型，并制定出合適的設計規(guī)則，以便將大量的此類晶體管連接起來。并且，我們必須為這些標準大氣壓的充氦器件制定出適當?shù)陌b方法。

可能性最大的是，目前用于包裝各種微機電傳感器（例如加速度計和陀螺儀）的技術無須過多修改就可以應用到真空通道晶體管上。 誠然，在實現(xiàn)產品商用之前，我們還有大量的工作有待完成。但是，當最終完成時，這種新一代真空電子產品一定會擁有一些令人驚訝的能力。期待吧！否則，你可能最終會像那些1976年在日本審視蘇聯(lián)米格-25的軍事分析家一樣——后來他們意識到，基于真空器件的航空電子設備可以比當時任何西方的飛機都更好地抵御核爆炸的電磁脈沖。直到那時，他們才開始體會到一點真空的價值。

編輯：jq