В сентябре 1976 года, в самый разгар холодной войны, Виктор Иванович Беленко, советский летчик перебежчик, свернул с курса тренировочного полета МиГ-25 над Сибирью, пересёк на малой высоте и высокой скорости Японское море и посадил свой самолет в гражданском аэропорту на острове Хоккайдо с остатком топлива всего на 30 секунд. Его драматические дезертирство было настоящей удачей для американских военных аналитиков, которые впервые получили возможность изучить секретный сверхзвуковой советский истребитель, который, как они думали, был одним из самых боеспособных самолетов в мире. То, что они обнаружили, поразило их.

С одной стороны, планер был построен более грубо, в сравнении с современными американскими истребителями, был сделан в основном из стали, а не из титана. Более того, они обнаружили, что отсеки электроники (авионики) самолета были заполнены оборудованием на основе электровакуумных ламп, а не транзисторов. Очевидный вывод заключался в том – предыдущие страхи в сторону, – что даже самые передовые технологии Советского Союза до смешного отставали от Запада.

В конце концов, в США электровакуумные лампы (трубки) уступили своё место малогабаритным и энергоэффективным твердотельным полупроводниковым приборам ещё двумя десятилетиями ранее, вскоре после того как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн создали свой первый транзистор в Bell Laboratories в 1947 году. К середине 1970-х годов, в западной электронике вакуумные лампы можно было найти лишь в некоторых видах специальной техники, не считая вездесущих кинескопов для телевизоров. Сегодня и кинескопы исчезли, так что за пределами нескольких ниш, вакуумные трубки являются вымершей технологией. Отсюда, возможно, станет сюрпризом узнать, что достаточно небольшие изменения в сегодняшней технологии изготовления интегральных микросхем смогут ещё вернуть к жизни вакуумную электронику.

В Исследовательском центре НАСА в Эймсе мы работали в течение нескольких последних лет над созданием транзистора с вакуумным каналом. Наше исследование все еще находится на ранней стадии, но прототипы, которые мы сконструировали, показывают, что новый прибор имеет уникальные возможности. Транзисторы с вакуумным каналом могут работать в 10 раз быстрее, чем обычные кремниевые транзисторы, и в конечном итоге смогут функционировать на терагерцовых частотах, которые до сих пор вне досягаемости любого твердотельного прибора. Они также не боятся высоких температур и радиации. Чтобы понять, почему, разберёмся немного в конструкции и функционировании старых добрых вакуумных трубок.

Потомок лампочки

Вакуумные трубки (лампы) появились из обычных осветительных лампочек, разработка подстёгнута исследованиями Томаса Эдисона в способности нагретых нитей испускать электроны. Этот образец 1906 года – ранняя трубка типа Audion, обнаруживает близкое сходство с лампочкой, хотя нить накала в этой конкретной трубке не видна, т.к. давно сгорела. Эта нить вначале выступала в качестве катода, из которого электроны летели к аноду, т.е. пластине, находящейся в центре стеклянной трубки. Электронный поток от катода к аноду можно регулировать изменяя напряжение, подаваемое на сетку, зигзагообразному проводу под пластиной.

Вакуумные трубки размером с большой палец, которые усиливали сигналы в бесчисленных радио- и телевизионных приемниках первой половины 20-го века, внешне совершенно не похожи на полевые транзисторы типа металл-окисел- полупроводник (МОП – MOSFETs), которые регулярно поражают нас своими возможностями в современной цифровой электронике. Но во многих других отношениях, они очень похожи. Прежде всего, они являются трёхэлектродными приборами. Напряжение, приложенное к одному из электродов – сетке в простой триодной вакуумной трубке и затвору в полевом транзисторе МОП, – управляет величиной тока, протекающего между двумя другими электродами: от катода к аноду в вакуумной трубке и от истока к стоку в МОП-транзисторе. Эта способность, позволяет каждому из этих устройств функционировать в качестве усилителя или, при достаточно резком управлении, в качестве переключателя.

Однако, характер электрического тока в вакуумной трубке существенно отличается от тока в транзисторе. Вакуумные трубки базируются на процессе, называемом термоэлектронная эмиссия. Нагревание катода приводит к испусканию им электронов в окружающий вакуум. Ток в транзисторах, с другой стороны, происходит от дрейфа и диффузии электронов (или «дырок», местах, где электроны отсутствуют) между истоком и стоком через твердый полупроводниковый материал, который отделяет их.

Почему вакуумные трубки уступили твердотельной электронике много десятилетий назад? Преимущества полупроводников заключаются в низкой стоимости, гораздо меньших размерах, большем времени жизни, эффективности, прочности, надежности и высокой степени интеграции. Несмотря на эти преимущества, если рассматривать только качество среды для транспортировки заряда, то вакуум, безусловно, побеждает полупроводники. Электроны распространяются свободно через вакуумную пустоту, в то время как они испытывают столкновения с атомами в твердом теле (этот процесс называется рассеянием кристаллической решётки). Более того, вакуум не склонен к своеобразным радиационным повреждениям, поражающим полупроводники, и он производит меньше шума и искажений, чем твердотельные материалы.

Недостатки трубок были не такими раздражающими, когда требовалось их небольшое количество для построения радиоприёмника или телевизора. Но они оказались действительно хлопотными в более сложных устройствах. Например, в 1946 году компьютер ENIAC использовал 17468 вакуумных трубок, потреблял 150 киловатт электроэнергии, весил более 27 тонн и занимал почти 200 квадратных метров площади. И он ежедневно или через день выходил из строя из-за неисправности ламп.

Чип в бутылке

Простейшей электронной лампой способной усиливать сигнал является триод, названный так потому, что содержит три электрода: катод, анод и сетку. Как правило, структура является цилиндрически симметричной – катод окружен сеткой, а сетка окружена анодом. Работа лампы аналогична работе полевого транзистора, здесь напряжение, приложенное к сетке, управляет током между двумя другими электродами. Триодная лампа часто имеет пять штырьков, два из которых предназначены для подключения нити накала.

Транзисторная революция положила конец таким разочарованиям. Но последовавшее кардинальное изменение в электронике произошло не столько из-за собственных преимуществ полупроводников, а потому, что инженеры получили возможность массового производства и объединения транзисторов в интегральные схемы методами химического травления кремниевой пластины с соответствующим рисунком. Поскольку технология изготовления интегральных схем непрерывно развивалась, то все больше и больше транзисторов становилось возможным поместить на кристалле, позволяя схемам становиться всё более сложными от одного поколения к другому. Электроника также стала работать быстрее, без существенных затрат.

Это преимущество по скорости вытекало из того факта, что, как только транзисторы становились меньше, электронам, движущимся в них приходилось преодолевать всё более короткие расстояния между истоком и стоком, что позволяло каждому транзистору включаться и выключаться быстрее. Вакуумные трубки, с другой стороны, были большими и громоздкими и должны были быть изготовлены индивидуально путём механической обработки. В то время как транзисторы улучшались на протяжении многих лет, процесс совершенствования трубок никогда даже отдаленно не напоминал закон Мура.

Но после четырех десятилетий сокращения размеров транзисторов, слой оксида, изолирующий электрод затвора типичного ПТ МОП (MOSFET), сейчас составляет толщину всего лишь в несколько нанометров, и всего несколько десятков нанометров отделяет его исток и сток. Обычные транзисторы действительно нельзя получить существенно меньшими. Тем не менее, стремление к более быстрым и более энергоэффективным чипам продолжается. Какой будет следующая новая технология транзистора? Нанопровода, углеродные нанотрубки и графен – все интенсивно развивается. Возможно, один из этих подходов обновит электронную промышленность. Или, может быть, все они скоро выдохнутся.

Мы работаем над созданием ещё одного кандидата на замену полевого МОП транзистора, который исследователи совершенствовали на протяжении многих лет, – транзистора с вакуумным каналом. Последний является результатом сочетания традиционной технологии электронных ламп и современных методов изготовления полупроводников. Этот любопытный гибрид совмещает в себе лучшие свойства вакуумных ламп и транзисторов и может быть изготовлен таким же малым и недорогим, как любой другой твердотельный прибор. В самом деле, возможность изготовить его малогабаритным ликвидирует основной недостаток вакуумных трубок.

Транзисторизация электронных ламп

Транзистор с вакуумным каналом напоминает обычный полевой транзистор типа металл-оксид-полупроводник или ПТ МОП (MOSFET) [слева]. В МОП-транзисторе, напряжение, подаваемое на затвор, устанавливает электрическое поле в полупроводниковом материале снизу. Это поле в свою очередь притягивает носители заряда в канал между областями истока и стока, что позволяет течь току. Никакой ток не втекает в затвор, изолированный от нижней подложки тонким слоем оксида. Транзистор с вакуумным каналом, разработанный авторами [справа], точно так же использует тонкий слой оксида для изоляции затвора от катода и анода, которые резко заострены для повышения напряжённости электрического поля на концах.

В вакуумной трубке, электрическая нить накала, подобная нити в осветительной лампочке накаливания, используется для катодного нагрева достаточного для испускания электронов. Именно поэтому вакуумным лампам нужно время для разогрева, и поэтому они потребляют столь много энергии. Это является причиной их частого перегорания, нередко в результате незначительной течи в стеклянной колбе. Но транзисторы с вакуумным каналом не нуждаются в нити накала и горячем катоде. Если прибор выполнен достаточно малым, то электрического поля в нём достаточно для притяжения электронов из источника за счёт процесса, известного как автоэлектронная эмиссия. Устранение катодного нагревательного элемента уменьшает площадь каждого прибора на кристалле и делает этот новый вид транзистора энергоэффективным.

Еще одним слабым местом ламп является то, что они должны поддерживать высокий вакуум, обычно около одной тысячной от атмосферного давления, чтобы избежать столкновений между электронами и молекулами газа. При таком низком давлении, электрическое поле создаёт положительные ионы, возникающие из остаточного газа в трубке для ускорения, которые бомбардируют катод, создавая острые нанометровые выступы, которые ухудшают и, в итоге, разрушают его.

Эти давние проблемы вакуумной электроники не являются непреодолимыми. А что, если расстояние между катодом и анодом станет меньше, среднего расстояния пролёта электрона до первого столкновения с молекулой газа, это расстояние известно как длина свободного пробега? Тогда вам не придется беспокоиться о столкновении электронов с молекулами газа. Например, средняя длина свободного пробега электронов в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет около 200 нанометров, которая в масштабах сегодняшних транзисторов довольно большая. Использование гелия вместо воздуха даёт среднюю длину свободного пробега около одного микрометра. Это означает, что электрон, пролетая через, скажем, 100-нм зазор, находясь в гелии, будет иметь только о 10-процентную вероятность столкновения с газом. Если сделать зазор еще меньше, то вероятность столкновения снизится дальше.

Но даже с низкой вероятностью попадания, много электронов по-прежнему будет сталкиваться с молекулами газа. Если при воздействии выбивается связанный электрон из молекулы газа, то она становится положительно заряженным ионом, а электрическое поле направляет его полет в сторону катода. Под обстрелом всех этих положительных ионов, катоды деградируют. Таким образом, вы действительно стремитесь избежать этого насколько это возможно.

К счастью, если вы устанавливаете низкое напряжение, то электроны никогда не приобретут достаточной энергии для ионизации гелия. Так, если размеры вакуумного транзистора существенно меньше длины свободного пробега электронов (который нетрудно организовать), а рабочее напряжение является достаточно низким, то устройство сможет нормально работать при атмосферном давлении. То есть, у вас нет, в самом деле, потребности поддерживать какой-либо вакууме вообще, что номинально является миниатюрным кусочком «вакуумной» электроники!

Но как вы переведёте этот новый тип транзистора в состояния включено и выключено? В ламповом триоде, вы управляете током, протекающим через него, изменяя напряжение, приложенное к сеточному электроду, расположенному между катодом и анодом. Установка сетки ближе к катоду усиливает электростатическое влияние сетки, хотя слишком близкое расположение приводит к увеличению величины тока, текущего в сетку. В идеале, ток никогда не втекает в сетку, потому что на него расходуется энергии, что даже может привести лампу к неисправности. Но на практике небольшой ток сетки всегда существует.

Чтобы избежать подобных проблем, мы управляем током в нашем транзисторе с вакуумным каналом так же, как это делается в обычных МОП-транзисторах, используя электрод затвора, который имеет изолирующий диэлектрический материал (диоксида кремния), отделяющий его от токового канала. Диэлектрическая изоляция передает электрическое поле туда, где оно нужно, не допуская прохождения тока в затвор.

Итак, вы видите, что транзистор с вакуумным каналом вовсе несложный. В самом деле, принцип его работы гораздо проще, чем любого из ранее появившихся типов транзисторов.

Хотя мы все еще находимся на ранней стадии исследований, мы считаем, что наши последние усовершенствования транзистора с вакуумным каналом, в один прекрасный день окажут огромное влияние на электронную промышленность, и в частности, на применения, где скорость имеет первостепенное значение. Наши самые первые усилия по созданию прототипа привели к созданию прибора, который смог работать на 460 гигагерц, что примерно в 10 раз быстрее, чем может работать самый лучший кремниевый транзистор. Это делает транзистор с вакуумным каналом весьма перспективным для работы в области, которую иногда называют терагерцовым зазором (разрывом - gap), т.е. в части электромагнитного спектра, лежащей выше микроволнового и ниже инфракрасного диапазонов.

Заполнение зазоров

Транзисторы с вакуумным каналом способны работать на частотах выше микроволновой и ниже инфракрасной областей спектра, иногда называемых терагерцовым зазором из-за трудностей функционирования, которые испытывают большинство полупроводниковых приборов, уже работающих на этих частотах. Перспективные приложения для терагерцового оборудования включают направленную высокоскоростную связь и зондирование опасных материалов.

Частоты, лежащие в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц, необходимы для обнаружения опасных материалов и для надёжной высокоскоростной связи, и это только пара возможных применений. Но терагерцовые волны трудно использовать, потому что обычные полупроводники не способны, ни генерировать и, ни детектировать это излучение. Вакуумные транзисторы смогли бы – извините за выражение – заполнить пустоту. Эти транзисторы смогли бы также найти своё место в новых микропроцессорах, ведь способ их изготовления полностью совместим с обычной КМОП-технологией. Но прежде, чем это случится, необходимо решить несколько проблем.

Наш прототип вакуумного транзистора работает на 10 вольтах, что на порядок выше, чем у используемых современных КМОП-чипов. Но исследователям из Питтсбургского университета удалось создать вакуумные транзисторы, работающие только при одном или двух вольтах, хотя и со значительным проигрышем в гибкости конструкции. Мы уверены, что сможем снизить напряжение нашего прибора до того же уровня, сокращая расстояние между его анодом и катодом. Кроме того, острота этих электродов определяет концентрацию электрического поля, а состав материала катода определяет, насколько сильное поле необходимо для испускания им электронов. Таким образом, мы также в состоянии снизить напряжение путём выбора конструкции электродов с более резкими оконечностями или с более подходящим химическим составом, снижающим барьер для электронов, испускаемых катодом. Это, несомненно, будет чем-то вроде балансирования, поскольку изменения, внесенные для снижения рабочего напряжения, смогут поставить под угрозу долговременную стабильность электродов и результирующее время жизни транзистора.

Следующим большим шагом для нас является компоновка большого количества вакуум-канальных транзисторов в одну интегральную схему (ИС). Для этого мы должны использовать множество существующих систем автоматизированного конструирования и моделирования, разработанных для проектирования КМОП ИС. Прежде чем мы попытаемся сделать это, мы должны будем, однако, уточнить наши компьютерные модели нового транзистора и выработать соответствующие проектные правила для трассировки большого количества соединений. И мы будем должны разработать подходящие методы герметизации приборов, заполнив их гелием с давлением в одну атмосферу. Чаще всего, эти методы в настоящее время используются для герметизации различных микроэлектромеханических датчиков, таких как акселерометры и гироскопы, поэтому смогут быть применены к транзисторам с вакуумным каналом без существенной переделки.

Правда, предстоит сделать еще большую работу, прежде чем появятся коммерческие продукты. Но когда всё это будет сделано, то новое поколение вакуумной электроники, безусловно, будет отличаться некоторыми удивительными возможностями. Ожидайте этого. Иначе, вы не сможете понять тех военных аналитиков, которые обследовали МиГ-25 в Японии еще в 1976 г. Позже они оценили, что советская вакуумная авионика смогла бы выдержать электромагнитный импульс ядерного взрыва лучше, чем любая из имеющихся в то время на самолетах Запада. Только тогда они начали понимать большую важность электровакуумных приборов.

Партийная литература

1. Jin-Woo Han, Meyya Meyyappan, "Introducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing" // IEEE Spectrum, 23.06.2014. http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/introducing-the-vacuum-transistor-a-device-made-of-nothing