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(wàn)諾維奇?別連科在西伯利亞上空的一次飛行訓(xùn)練中，駕駛著他的米格-25狐蝠式戰(zhàn)斗機(jī)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(jī)場(chǎng)，降落時(shí)剩下的燃料只夠再維持30秒飛行。他的戲劇性倒戈對(duì)美國(guó)軍事分析家來(lái)說(shuō)是一種恩賜，使他們第一次有機(jī)會(huì)近距離審視這種高速的蘇聯(lián)戰(zhàn)斗機(jī)，他們?cè)J(rèn)為這種戰(zhàn)斗機(jī)是世界上最先進(jìn)的飛機(jī)之一。但他們的發(fā)現(xiàn)使他們感到震驚。

首先，該飛機(jī)的機(jī)身比那些美國(guó)的當(dāng)代戰(zhàn)機(jī)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(jī)的航空電子設(shè)備艙裝滿了基于真空管而非晶體管的設(shè)備。不論先前人們對(duì)其懷有何種畏懼心理，顯而易見(jiàn)的是，即使是蘇聯(lián)最尖端的技術(shù)也可笑地落后于西方了。 畢竟，在美國(guó)，真空管二十多年前就已經(jīng)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(shí)驗(yàn)室拼湊出第一個(gè)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(lǐng)域能找到的為數(shù)不多的真空管隱藏于某些專(zhuān)業(yè)設(shè)備中——這不包括電視機(jī)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(gè)特殊領(lǐng)域外，真空管已經(jīng)是一種滅絕的技術(shù)了。因此，了解到目前集成電路制造技術(shù)的一些變化可能使真空電子起死回生，人們可能會(huì)感到驚訝。 過(guò)去的幾年里，在NASA艾姆斯研究中心，我們一直在努力開(kāi)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(gòu)建的原型顯示，這種新型設(shè)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(yùn)行，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何固態(tài)設(shè)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(guān)于老式真空管的制造及運(yùn)行的情況會(huì)有所幫助。 在20世紀(jì)上半葉，擴(kuò)增無(wú)數(shù)收音機(jī)和電視機(jī)信號(hào)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(chǎn)品中的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）看起來(lái)一點(diǎn)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(gè)終端——一個(gè)簡(jiǎn)單三極真空管的和MOSFET的柵極——控制流過(guò)另兩個(gè)終端的電流：真空管是從陰極到陽(yáng)極，MOSFET則是從源極到漏極。這種能力使這些器件能夠充當(dāng)放大器，或者，如果有足夠的偏壓，可以充當(dāng)開(kāi)關(guān)。

但是，真空管中電流的流動(dòng)與晶體管中電流的流動(dòng)有很大的區(qū)別。真空管依靠一種叫做熱電子發(fā)射的過(guò)程：加熱陰極，使其向周?chē)恼婵蔗尫懦鲭娮?。而晶體管中的電流來(lái)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(kāi)它們的固體半導(dǎo)體材料中的漂移和擴(kuò)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(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)包括成本更低，尺寸更小，壽命更長(zhǎng)，效率更高，耐用性、可靠性和一致性更強(qiáng)。盡管半導(dǎo)體有這些優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)純粹作為輸送電荷的介質(zhì)來(lái)考慮時(shí)，真空管仍優(yōu)于半導(dǎo)體。電子能自由地在真空中傳播，而它們?cè)诠虘B(tài)電子中就會(huì)與原子發(fā)生碰撞（這一過(guò)程被稱(chēng)為晶體晶格散射）。更重要的是，真空管不容易產(chǎn)生困擾半導(dǎo)體的那種輻射損傷，并且它比固態(tài)材料產(chǎn)生的噪聲更少、失真更小。

然而，當(dāng)年只需要少數(shù)幾個(gè)真空管來(lái)運(yùn)行收音機(jī)或電視機(jī)時(shí)，它的缺點(diǎn)并不那么令人頭痛，但對(duì)于更復(fù)雜的電路來(lái)說(shuō)就很麻煩了。例如，1946年的ENIAC計(jì)算機(jī)使用了17468個(gè)真空管，功率為150千瓦，重量超過(guò)27噸，占去了近200平方米的樓面空間。

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

隨著集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)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(xì)化。而電子產(chǎn)品的運(yùn)行速度也在不增加成本的前提下變得越來(lái)越快。 這一速度優(yōu)勢(shì)是由于，隨著晶體管變得更小，電子在源極和漏極之間移動(dòng)的距離變得越來(lái)越短，這使每個(gè)晶體管能夠被更迅速地開(kāi)啟和關(guān)閉。

而真空管又大又笨重，必須通過(guò)機(jī)械加工逐個(gè)制造。在多年的改進(jìn)過(guò)程中，真空管從未受益于摩爾定律。 但晶體管經(jīng)過(guò)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(wú)法再小了。盡管如此，對(duì)于更快、更高效的芯片的追求仍在繼續(xù)。未來(lái)的晶體管技術(shù)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(kāi)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(huì)不了了之。 ━━━ ━━━我們一直在努力開(kāi)發(fā)另一項(xiàng)備選技術(shù)來(lái)取代MOSFET，多年來(lái)研究人員一直在斷斷續(xù)續(xù)地對(duì)其進(jìn)行嘗試：那就是真空通道晶體管。它是傳統(tǒng)的真空管技術(shù)和現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)的聯(lián)姻。

這種奇特的混合技術(shù)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(shè)備一樣實(shí)現(xiàn)體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。的確，使它們的體積變小可以消除真空管眾所周知的缺點(diǎn)。真空管中的電熱絲類(lèi)似于白熾燈泡中的燈絲，被用來(lái)加熱陰極，使其發(fā)射電子。這就是真空管需要時(shí)間來(lái)預(yù)熱，并且電力消耗如此大的原因。

這也是它們經(jīng)常會(huì)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(guò)它的電場(chǎng)足以通過(guò)一個(gè)被稱(chēng)為場(chǎng)致發(fā)射的過(guò)程從源極吸取電子。消除了損耗功率的加熱因素就會(huì)降低每個(gè)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(gè)弱點(diǎn)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(chǎng)會(huì)使真空管的殘余氣體中產(chǎn)生的正離子加速并轟擊陰極，形成鋒利的、納米級(jí)的凸起，這會(huì)使其性能下降，并最終造成損毀。 真空電子產(chǎn)品這些長(zhǎng)期存在的問(wèn)題并非是不可克服的。

如果陰極和陽(yáng)極之間的距離小于電子在撞擊到氣體分子前行進(jìn)的平均距離（被稱(chēng)為平均自由程）會(huì)怎樣呢？這樣，你就不必?fù)?dān)心電子與氣體分子之間的碰撞了。例如，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣中電子的平均自由程約為200納米，這對(duì)于今天的晶體管來(lái)說(shuō)是相當(dāng)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(jìn)一步減小。

但是，即使碰撞的概率很低，許多電子仍然會(huì)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(lái)，那么氣體分子就會(huì)成為帶正電荷的離子，這意味著電場(chǎng)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(huì)下降。所以，必須盡可能避免這種情況發(fā)生。 幸運(yùn)的是，如果保持低電壓，電子將永遠(yuǎn)不會(huì)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(shí)現(xiàn)），并且工作電壓足夠低（這也不難），器件就可以在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下正常工作。也就是說(shuō)，其實(shí)，對(duì)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(kāi)關(guān)這種新型晶體管呢？

對(duì)于三極真空管，可以通過(guò)改變施加在柵極（位于陰極和陽(yáng)極之間的一個(gè)網(wǎng)狀電極）上的電壓控制通過(guò)它的電流。將柵極放置在靠近陰極的地方會(huì)增強(qiáng)柵極的靜電控制，盡管距離過(guò)近可能會(huì)增加流入柵極的電流。在理想情況下，不會(huì)有電流流入柵極，因?yàn)檫@會(huì)浪費(fèi)能量，甚至?xí)?dǎo)致真空管發(fā)生故障。

但在實(shí)踐中，總會(huì)有一點(diǎn)柵極電流。 為了避免這種問(wèn)題，與在普通的MOSFET中一樣，我們?cè)谡婵胀ǖ谰w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(zhì)絕緣體將電場(chǎng)轉(zhuǎn)移到需要它的地方，同時(shí)防止電流流入柵極。

所以，真空通道晶體管并不復(fù)雜。事實(shí)上，它的運(yùn)作方式比任何在它之前出現(xiàn)的各種晶體管都更簡(jiǎn)單。 ━━━ ━━━盡管我們?nèi)蕴幱谘芯康脑缙陔A段，但我們相信，在真空通道晶體管領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展最終會(huì)對(duì)電子行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，特別是對(duì)于那些速度至上的應(yīng)用。我們利用最初制造出的原型生產(chǎn)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(dá)到的最高頻率的10倍。

這使真空通道晶體管能在被稱(chēng)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(nèi)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(cè)有害物質(zhì)、進(jìn)行安全高速通信等應(yīng)用。但太赫茲波很難加以利用，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體不能夠產(chǎn)生或探測(cè)出這種輻射。而真空晶體管或許可以填補(bǔ)這一空白。這些晶體管將來(lái)也可能被用于未來(lái)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(wèn)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(gè)數(shù)量級(jí)。但美國(guó)匹茲堡大學(xué)的研究人員已經(jīng)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?cè)谠O(shè)計(jì)的靈活性方面作了大量妥協(xié)。我們相信，通過(guò)縮小陰極和陽(yáng)極之間的距離，可以將真空晶體管的電壓要求降低到類(lèi)似的水平。

另外，這些電極的尖銳程度決定了它們對(duì)電場(chǎng)的增強(qiáng)程度，并且陰極材料的組成決定了從電場(chǎng)中提取電子所需的電場(chǎng)大小。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)出更尖銳的電極或更利于降低電子從陰極逸出的門(mén)檻的化學(xué)合成物，我們還可能降低所需的電壓。這無(wú)疑將是一個(gè)權(quán)衡之舉，因?yàn)闉榻档凸ぷ麟妷憾鞒龅母淖兛赡軙?huì)損害電極的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而影響晶體管的壽命。

下一個(gè)重要步驟是，將真空通道晶體管大量應(yīng)用到集成電路中。為此，我們應(yīng)該利用許多為構(gòu)建CMOS集成電路開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)模型，并制定出合適的設(shè)計(jì)規(guī)則，以便將大量的此類(lèi)晶體管連接起來(lái)。并且，我們必須為這些標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的充氦器件制定出適當(dāng)?shù)陌b方法。

可能性最大的是，目前用于包裝各種微機(jī)電傳感器（例如加速度計(jì)和陀螺儀）的技術(shù)無(wú)須過(guò)多修改就可以應(yīng)用到真空通道晶體管上。 誠(chéng)然，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品商用之前，我們還有大量的工作有待完成。但是，當(dāng)最終完成時(shí)，這種新一代真空電子產(chǎn)品一定會(huì)擁有一些令人驚訝的能力。期待吧！否則，你可能最終會(huì)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(lái)他們意識(shí)到，基于真空器件的航空電子設(shè)備可以比當(dāng)時(shí)任何西方的飛機(jī)都更好地抵御核爆炸的電磁脈沖。直到那時(shí)，他們才開(kāi)始體會(huì)到一點(diǎn)真空的價(jià)值。

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