Как известно, электронные лампы были основой всех первых электронных устройств, созданных людьми. Однако, большие размеры электронных ламп и значительный расход ими энергии стали причинами тому, что к 1970-м годам они были почти полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Но за последние несколько лет учеными были разработаны наноразмерные транзисторы с вакуумным каналом (nanoscale vacuum channel transistor, NVCT), которые являются комбинацией всех лучших черт электронных ламп и современных полупроводников в пределах одного единственного прибора.
По сравнению с обычными транзисторами NVC-транзисторы являются более быстрыми и более стойкими по отношению к высоким температурам и радиации. Эти преимущества делают NVC-транзисторы идеальными кандидатами для их использования в космической технике, в высокочастотной электронике, включая электронику, работающую в терагерцовом диапазоне.
Такие транзисторы могут быть изготовлены при помощи существующих технологий производства полупроводниковых приборов, а их размер может составлять всего несколько нанометров. С этой точки зрения NVC-транзисторы не очень похожи на электронные лампы, они имеют гораздо большее сходство с традиционными транзисторами, и их можно увидеть только при помощи электронного растрового микроскопа.
Новый тип NVC-транзистора был разработан учеными из Исследовательского центра НАСА имени Эймса. Отличительной чертой этого кремниевого устройства является улучшенная структура управляющего электрода, затвора, что позволило понизить величину управляющего транзистором напряжения с десятков Вольт до уровня ниже пяти Вольт, что привело к очень низкому расходу энергии во время работы транзистора.
Затвор в NVC-транзисторе играет такую же роль, как и в обычном полевом транзисторе. Приложенное к нему напряжение управляет потоком электронов, текущим через канал транзистора от одного электрода к другому. В вакуумных электронных лампах поток электронов создавался путем нагрева катода лампы до высокой температуры. Поскольку электроны перемещались в условиях вакуума, они могли двигаться с очень высокой скоростью, что приводило к высокому быстродействию устройства.
В NVC-транзисторе фактически нет вакуумного промежутка, его роль выполняет пространство, заполненное инертным газом, гелием в данном случае, находящимся при атмосферном давлении. Поскольку расстояние между электродами очень мало, не более 50 нанометров в опытных образцах, вероятность столкновения электронов с атомами газа очень мала, и они способны перемещаться в таком "квазивакууме" с такой же скоростью, как и в фактическом вакууме. И даже в случае столкновения с электронами атомы газа не ионизируются и не нарушают работу транзистора из-за низкой величины рабочего напряжения и низкой энергии летящих электронов.
Испытания опытных образцов NVC-транзисторов нового типа показали, что они сохраняют работоспособность при температуре до 200 градусов Цельсия, при которой обычные транзисторы работать уже не могут. Кроме этого, NVC-транзисторы выдерживают воздействие достаточно мощного потока протонного и гамма-излучения.
В своих дальнейших исследованиях ученые НАСА будут работать над улучшением структуры наноразмерных NVC-транзисторов, пытаясь использовать в них новые материалы. И эти усилия могут привести к тому, что надежность работы самых современных электронных устройств будет обеспечиваться технологиями, которые, с первого взгляда, давным-давно устарели.
722
