真空电子概念面世 传统的硅晶体管或将被取代

1976年9月，在冷战中期，一名心怀不满的苏联飞行员——维克多•伊万诺维奇•别连科在西伯利亚上空的一次飞行训练中，驾驶着他的米格-25狐蝠式战斗机偏离了航道，低空快速飞越了日本海，降落在北海道的一座民用机场，降落时剩下的燃料只够再维持30秒飞行。他的戏剧性倒戈对美国军事分析家来说是一种恩赐，使他们第一次有机会近距离审视这种高速的苏联战斗机，他们曾认为这种战斗机是世界上最先进的飞机之一。但他们的发现使他们感到震惊。

首先，该飞机的机身比那些美国的当代战机粗糙，大部分是由钢制成的，而不是钛金属。更重要的是，他们发现该飞机的航空电子设备舱装满了基于真空管而非晶体管的设备。不论先前人们对其怀有何种畏惧心理，显而易见的是，即使是苏联最尖端的技术也可笑地落后于西方了。

 

毕竟，在美国，真空管二十多年前就已经让位给了体积更小、耗电更少的固态器件了。1947年，威廉•肖克利（WilliamShockley）、约翰•巴丁（John Bardeen）和沃尔特•布拉顿（Walter Brattain）在贝尔实验室拼凑出第一个晶体管，不久真空管就被淘汰了。到了70年代中期，在西方电子领域能找到的为数不多的真空管隐藏于某些专业设备中——这不包括电视机广泛使用的显像管。今天，即使是那些真空管也消失了，除了几个特殊领域外，真空管已经是一种灭绝的技术了。因此，了解到目前集成电路制造技术的一些变化可能使真空电子起死回生，人们可能会感到惊讶。

过去的几年里，在NASA艾姆斯研究中心，我们一直在努力开发真空通道晶体管。我们的研究还处于早期阶段，但我们构建的原型显示，这种新型设备拥有非凡的潜力。真空通道晶体管比普通硅晶体管快10倍，并最终可能在太赫兹频率上运行，这远远超出了任何固态设备的范围，而且它们承受热和辐射的能力也更高。要理解其原因，了解一些关于老式真空管的制造及运行的情况会有所帮助。 

在20世纪上半叶，扩增无数收音机和电视机信号的拇指大小的真空管可能跟今天通常令我们目不暇接的数码电子产品中的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）看起来一点也不相像。但在许多方面，它们是非常相似的。其一，它们都是三端器件。电压施加到一个终端——一个简单三极真空管的和MOSFET的栅极——控制流过另两个终端的电流：真空管是从阴极到阳极，MOSFET则是从源极到漏极。这种能力使这些器件能够充当放大器，或者，如果有足够的偏压，可以充当开关。

但是，真空管中电流的流动与晶体管中电流的流动有很大的区别。真空管依靠一种叫做热电子发射的过程：加热阴极，使其向周围的真空释放出电子。而晶体管中的电流来自于源极和漏极之间的电子（或“空穴”，即缺失电子的空位）在分开它们的固体半导体材料中的漂移和扩散。

为什么真空管在几十年前就让位给了固态电子呢？半导体的优点包括成本更低，尺寸更小，寿命更长，效率更高，耐用性、可靠性和一致性更强。尽管半导体有这些优点，但当纯粹作为输送电荷的介质来考虑时，真空管仍优于半导体。电子能自由地在真空中传播，而它们在固态电子中就会与原子发生碰撞（这一过程被称为晶体晶格散射）。更重要的是，真空管不容易产生困扰半导体的那种辐射损伤，并且它比固态材料产生的噪声更少、失真更小。

然而，当年只需要少数几个真空管来运行收音机或电视机时，它的缺点并不那么令人头痛，但对于更复杂的电路来说就很麻烦了。例如，1946年的ENIAC计算机使用了17468个真空管，功率为150千瓦，重量超过27吨，占去了近200平方米的楼面空间。而且它总是不停的当机，每一两天就有一个真空管失灵。

晶体管革命终止了这种挫折。但随之而来的电子领域的巨大变化，与其说是由于半导体的固有优点，还不如说是由于工程师获得了能够大量生产晶体管，并通过化学雕刻或蚀刻将晶体管与集成电路相结合，使其成为拥有适当图案的硅晶片的能力。随着集成电路制造技术的进步，越来越多的晶体管可被挤压到微型芯片上，使电路一代比一代精细化。而电子产品的运行速度也在不增加成本的前提下变得越来越快。

这一速度优势是由于，随着晶体管变得更小，电子在源极和漏极之间移动的距离变得越来越短，这使每个晶体管能够被更迅速地开启和关闭。而真空管又大又笨重，必须通过机械加工逐个制造。在多年的改进过程中，真空管从未受益于摩尔定律。

但晶体管经过40年的瘦身，现在典型的MOSFET栅极绝缘的氧化层只有几纳米厚，源极和漏极之间的距离只有几十纳米。传统的晶体管真的无法再小了。尽管如此，对于更快、更高效的芯片的追求仍在继续。未来的晶体管技术是什么样的呢？纳米线、碳纳米管以及石墨烯都在紧锣密鼓地开发。也许，这些方法中的某一种将重塑电子行业。又或许，它们都会不了了之。

我们一直在努力开发另一项备选技术来取代MOSFET，多年来研究人员一直在断断续续地对其进行尝试：那就是真空通道晶体管。它是传统的真空管技术和现代半导体制造技术的联姻。

这种奇特的混合技术融合了真空管和晶体管的最好的方面，并且可以像其他所有固态设备一样实现体积小、价格低的优点。的确，使它们的体积变小可以消除真空管众所周知的缺点。真空管中的电热丝类似于白炽灯泡中的灯丝，被用来加热阴极，使其发射电子。

这就是真空管需要时间来预热，并且电力消耗如此大的原因。这也是它们经常会烧坏（通常是由于真空管玻璃封套的微小泄漏所致）的原因。但真空通道晶体管不需要电热丝或热阴极。如果这种器件被制造得足够小，则穿过它的电场足以通过一个被称为场致发射的过程从源极吸取电子。消除了损耗功率的加热因素就会降低每个器件在芯片上占用的面积，同样也使这种新型晶体管具有更高的能效。

真空管的另一个弱点是，它们必须保持高度真空，通常为约千分之一的大气压，以避免电子与气体分子之间的碰撞。在这样的低气压下，电场会使真空管的残余气体中产生的正离子加速并轰击阴极，形成锋利的、纳米级的凸起，这会使其性能下降，并最终造成损毁。

真空电子产品这些长期存在的问题并非是不可克服的。如果阴极和阳极之间的距离小于电子在撞击到气体分子前行进的平均距离（被称为平均自由程）会怎样呢？这样，你就不必担心电子与气体分子之间的碰撞了。例如，在标准大气压下，空气中电子的平均自由程约为200纳米，这对于今天的晶体管来说是相当大的。用氦代替空气，则平均自由程上升至约1微米。这意味着，在氦气中穿行100纳米距离的电子与气体分子碰撞的概率约为10%。继续缩小距离，则碰撞的几率进一步减小。

所以，真空通道晶体管并不复杂。事实上，它的运作方式比任何在它之前出现的各种晶体管都更简单。