真空通路晶体管,电子工业的下一次革命?

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20世纪前半页,电子管被用在无数的收音机和电视中,但后来由于晶体管相对于电子管有着消耗电能少、不需要预热、结实可靠等各种优点。在电子工业中,电子管逐渐被晶体管所取代。在晶体管取代电子管以后,人们开始想办法压缩晶体管的体积并把越来越多的晶体管集成到集成电路上。不过由于金属氧化物半导体场效应管中的氧化层已经很难继续压缩,所以晶体管的体积在经过40多年的发展之后就迎来了瓶颈。

一方面,人们对芯片的要求还是速度越来越快,性能越来越高;另一方面传统的晶体管的体积确实已经很难做到更小了。这样的窘境迫使科学家们去探索下一个晶体管技术。纳米线、碳纳米管、石墨烯都已经成为重要的研究方向,但在这些之外,此前被丢进历史尘埃里的电子管反而可能会发挥出更大的作用。

根据IEEE的消息,来自NASA艾姆斯研究中心的科学家们正在尝试打造一种真空通路晶体管(Vacuum-channel transistor)来终结这个瓶颈,而这种新晶体管的特性需要同时用到电子管和晶体管的特性。在聚合起电子管和晶体管的优势之后,这也就意味着新的真空通路晶体管能做的既小又便宜。

不过,新产品在吸纳电子管优势的同时,带进来一些电子管与生俱来的缺点也难以避免的。如果要实现当初的目标,自然要先解决掉这些潜在的问题。

在电子管中,电热丝是普遍存在的。而且由于电热丝的存在,电子管就需要时间来预热并且会消耗掉很多电能,如果不幸的话,它还可能烧毁。但是在真空通路晶体管中,只要设备能做到足够小,科学家就可以通过电场技术达到类似的效果进而不必再使用电热丝。这样一来,新的晶体管既可以减少在芯片上占用的面积又能节约能源。

电子管的另外一个缺点就是为了避免电子和气体分子之间的碰撞,它必须要维持一个较高的真空环境。不过这个缺点在当下也不是完全没办法解决,因为只要科学家们能让阴极和阳极之间的距离小于电子和大气分子之间的平均距离就可以很大程度上避免它们之间的碰撞。

当然,如果研究者的最终的希望是输入商业上可用的产品,那么人们需要的肯定是能在技术上避免这两者之间的碰撞,而这个时候就需要借助于电压了。只要电压足够低,电子就没法获取足够的能量来电离氦,这两者自然就没法发生化学反应了。所以只要同时满足“距离”和“电压”这两个条件就可以摒弃真空环境的限制,而这两个条件在科学家看来都不难。

从原理上来看,真空通路晶体管并不是不可实现的,但科研人员表示相对于实际应用来说,这些研究其实还处于比较早期的阶段。不过最近的一系列突破性进展已经让他们感觉到这项技术极有可能将对电子工业的发展带来巨大的影响。原型实验结果表明新晶体管的运行频率是硅晶体管的10倍以上,这对于那些追求速度的应用来说显然是一个好消息。

虽然实验室的理论数据可以给人带来很大的惊喜,但应用到实际环境中功效肯定是要降低的。比如,在实验室中,科研者用的是10伏电压,这已经超过诸多现代芯片的使用的电压范围。所以如果应用到实际情况中自然要降低电压,而这就意味着要牺牲性能。

接下来,艾姆斯研究中心的科学家们会尝试把这种新型的晶体管整合到集成电路中,而目前的这些模型工具并不是完全适用,所以科学家们既要完善相关的模型又要制定出合理的设计规则。这自然也就意味着在真正商业化之前,仍然有很多的工作需要做。不过,科学家们坦言这些并不妨碍最终产品会将电子工业推向一个新高度。

图片来源:IEEE

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