Этот любопытный гибрид электровакуумной лампы и MOSFET однажды заменит традиционный кремний
В сентябре 1976 года, в самый разгар Холодной войны, Виктор Иванович Беленко, советский пилот, недовольный условиями своей жизни, выполняя на МиГ-25 тренировочный полет над Сибирью, ушел с курса, на малой высоте с большой скоростью пересек Японское море и посадил самолет в гражданском аэропорту Хоккайдо с остатком топлива на 30 секунд. Его драматическое дезертирство стало подарком для американских военных аналитиков, впервые получивших возможность вблизи изучить этот высокоскоростной истребитель, который, как они думали, был одним из самых совершенных самолетов в мире. Увиденное поразило их.
С одной стороны, корпус был изготовлен намного более грубо, чем у современных самолетов США, и сделан не из титана, а, в основном, из стали. Но еще большее удивление вызвало то, что секции авионики самолета оказались заполнены оборудованием, основанном не на транзисторах, а на электронных лампах. Заключение экспертов развеяло прежние страхи; оказалось, что даже самые передовые технологии Советского Союза смехотворно отставали от Запада.
Как-никак, в США вакуумные лампы уступили дорогу более миниатюрным и менее прожорливым твердотельным устройствам на два десятилетия раньше, вскоре после того, как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изготовили первый транзистор в Bell Laboratories в 1947 году. Единственные электровакуумные приборы, которые вы могли обнаружить в западной электронике в середине 1970-х, были глубоко спрятаны в недрах определенного вида специализированной аппаратуры, не считая, конечно, вездесущих кинескопов телевизоров. Сегодня исчезли даже и они, оставив вымершей технологии электровакуумных приборов лишь несколько специфических ниш. Поэтому, возможно, будет неожиданностью узнать, что некоторые, очень небольшие, изменения в технологиях, используемых сегодня для производства интегральных схем, могут вдохнуть в вакуумную электронику новую жизнь.
На протяжении последних пяти лет мы работаем в Исследовательском центре Эймса (отделение агентства NASA) над созданием транзисторов с вакуумным каналом. Мы находимся все еще на ранней стадии исследований, но прототипы уже подтверждают, что эти новаторские устройства имеют экстраординарную перспективу. Транзисторы с вакуумным каналом в десять раз быстрее, чем обычные кремниевые транзисторы, и, в конечном итоге, смогут работать на терагерцовых частотах, недосягаемых для любых твердотельных устройств. К тому же, они значительно более устойчивы к высокой температуре и радиации. Чтобы понять почему, надо немного вспомнить устройство старой доброй радиолампы.
Вакуумные лампы, являясь потомками обычных ламп
накаливания, своим развитием обязаны исследованиям
Томаса Эдисона, показавшего способность нагретых
нитей испускать электроны. Эта первая усилительная
лампа, изобретенная в 1906 году и названная Аудион,
демонстрирует близкое сходство с лампой накаливания,
хотя нить, давно сгоревшая в этом конкретном экземпляре,
нам не видна. Эта нить одновременно служила катодом, из
которого электроны летели к аноду, расположенному в
середине стеклянной трубки. Током, идущим от катода
к аноду, можно управлять, изменяя напряжение,
приложенное к сетке – зигзагообразной проволоке,
которую можно видеть ниже анода.
Пальчиковые радиолампы, усиливавшие сигналы в бесконечном множестве радио- и телевизионных приемников первой половины двадцатого столетия, на первый взгляд, не имеют ничего общего c полевыми транзисторами структуры металл-оксид-кремний (MOSFET), регулярно поражающими нас своими возможностями в современной цифровой электронике. Но во многих отношениях они очень похожи. Начиная с того, что оба прибора являются трехэлектродными. Напряжение, прикладываемое к одному из электродов – сетке в случае простого вакуумного триода, или затвору в случае MOSFET – управляет количеством тока, протекающего между двумя остальными электродами: между катодом и анодом у лампы, и между истоком и стоком у MOSFET. Такое свойство позволило этим устройствам выполнять функции усилителей, или, при достаточно энергичном управлении, – ключей.
Впрочем, ток в вакуумной лампе течет совсем не так, как в транзисторе. В основе работы лампы лежит процесс, называемый термоэлектронной эмиссией: нагревание катода заставляет его испускать электроны в окружающий вакуум. Причинами возникновения тока в транзисторе являются дрейф и диффузия электронов (или «дырок» – мест, в которых отсутствуют электроны) между истоком и стоком через разделяющий их твердый полупроводящий материал.
Почему электронные лампы много десятилетий назад уступили дорогу твердотельной электронике- Потому, что полупроводники отличаются от ламп меньшей стоимостью, несоизмеримо меньшими размерами, недосягаемым для ламп сроком службы, прочностью, надежностью и структурной однородностью. Несмотря на эти преимущества, если рассматривать приборы исключительно как среду для переноса заряда, лампы выигрывают у полупроводников. Электроны свободно распространяются через пустоту вакуума, тогда как в твердом теле им препятствуют столкновения с атомами. (Этот процесс называется рассеянием кристаллической решеткой). Кроме того, вакуум не подвержен каким-либо радиационным повреждениям, поражающим полупроводники, а также производит меньше шума и искажений, чем твердотельные материалы.
Недостатки вакуумных ламп раздражали не так уж сильно, если речь шла о вашем радио- или телевизионном приемнике. Но в более сложных схемах они доставляли настоящие неприятности. К примеру, компьютер ENIAC, построенный в 1946 году с использованием 17,468 электронных ламп, потреблял мощность 150 киловатт, весил более 27 тонн и занимал площадь 200 квадратных метров. К тому же, он постоянно ломался из-за того, что каждые один-два дня в нем выходила из строя очередная лампа.
Простейшим электровакуумным прибором, способным
усиливать сигналы, является триод, названный так
по числу имеющихся у него электродов: катода, анода
и сетки. Типичная конструкция триода обладает
цилиндрической симметрией и имеет катод, окруженный
сеткой, которая, в свою очередь, окружена анодом.
По принципу работы триод похож на полевой транзистор:
напряжение, приложенное к сетке, управляет током,
текущим между остальными двумя электродами.
(Электровакуумные триоды часто имеют пять
выводов, два из которых дополнительно выделены
для питания нити накала).
Транзисторная революция положила конец таким неприятностям. Но последующие глобальные изменения в мире электроники произошли не столько благодаря собственным преимуществам полупроводников, сколько потому, что инженеры получили возможность массового производства транзисторов, объединенных в интегральные схемы, научившись с помощью технологий химической гравировки или травления создавать нужные рисунки на кремниевой пластине. По мере развития технологии производства интегральных схем на одном чипе умещалось все больше и больше транзисторов, делая каждое следующее их поколение более сложным, чем предыдущее. Важно и то, что электроника, становясь быстрее, не становилась дороже.
Этот рост скорости обусловлен тем, что по мере уменьшения размеров транзисторов, путь, который необходимо преодолевать электронам между истоком и стоком, постоянно сокращается, позволяя каждому транзистору включаться и выключаться быстрее. С другой стороны, вакуумные лампы всегда были большими и громоздкими, и изготавливались индивидуально с использованием механической обработки. Несмотря на то, что на протяжении многих лет лампы постоянно совершенствовались, говорить о чем-либо, хоть отдаленно напоминающем закон Мура, применительно к лампам никогда не приходилось.
Однако после четырех десятилетий последовательного уменьшения размеров транзисторов толщина оксидного слоя, изолирующего электрод затвора типичного MOSFET, достигла нескольких нанометров, а исток и сток разделяют всего несколько десятков нанометров. Двигаться дальше по пути миниатюризации обычных транзисторов практически стало некуда. Тем не менее, происки более быстрых и энергоэффективных решений в области твердотельной электроники продолжаются. Какой будет следующая технология изготовления транзисторов- Интенсивно развиваются ноанопроводники, углеродные нанотрубки и графен. Возможно, что-то из этого преобразит электронную промышленность. А может быть, все эти технологии ждет фиаско.
Мы работаем над созданием еще одного кандидата для замены MOSFET – прибора, к которому исследователи проявляли и теряли интерес на протяжении многих лет: транзистора с вакуумным каналом. Это результат союза традиционной технологии электронных ламп и технологии производства современных полупроводников. Этот необычный гибрид, объединяющий лучшие свойства вакуумных ламп и транзисторов, может быть сделан таким же миниатюрным и дешевым, как любое твердотельное устройство. Именно возможность сделать их маленькими избавляет от хорошо известных недостатков электронных ламп.
Транзистор с вакуумным каналом очень напоминает обычный
металлооксидный полевой транзистор (MOSFET, на рисунке слева).
В MOSFET величина напряжения, приложенного к затвору,
определяет уровень электрического поля в находящемся под ним
материале. Это поле, в свою очередь, управляет переносом зарядов
в канале между областями истока и стока, то есть, контролирует
величину протекающего тока. Через затвор, изолированный от
подложки оксидным слоем, не течет никакой ток. В разработанном
авторами транзисторе с вакуумным каналом (справа) аналогичным
образом используется тонкий слой диэлектрика для изоляции
затвора от катода и анода, резко сужающихся на концах для
увеличения напряженности электрического поля.
Для нагрева катода до температуры, достаточной для эмиссии электронов, в вакуумной лампе используется электрический нагреватель, похожий на нить лампы накаливания. Именно поэтому для разогрева электровакуумных ламп требуется определенное время, и именно поэтому они потребляют такую большую мощность. По этой же причине они часто сгорают (нередко вследствие ничтожной утечки в стеклянной колбе устройства). Но транзисторам с вакуумным каналом не требуется нить накала или горячий катод. При достаточно малых размерах устройства электрического поля вполне достаточно для эффективного переноса электронов от истока посредством процесса, известного как автоэлектронная эмиссия. Отсутствие необходимости в накале дает возможность исключить громоздкий нагревательный элемент, сократить площадь, занимаемую каждым прибором, и сделать новый тип транзисторов очень экономичным.
Еще одним слабым местом ламп является требование поддержания в них глубокого вакуума, типичный уровень которого соответствует тысячным долям атмосферы, чтобы исключить столкновения электронов с молекулами газа. При столь низком давлении положительные ионы, выбиваемые из молекул остаточного газа и ускоряемые электрическим полем, бомбардируют катод, создавая на нем измеряемые нанометрами выступы, которые приводят к деградации и, в конечном счете, полному разрушению катода.
Эти давние проблемы вакуумной электроники не являются непреодолимыми. Что если расстояние между катодом и анодом будет меньше среднего расстояния, преодолеваемого электроном до соударения с молекулой газа, известного как средняя длина свободного пробега- Тогда вам не придется беспокоиться по поводу столкновения электронов с молекулами газа. Например, средняя длина свободного пробега электронов в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет порядка 200 нм, что в масштабах сегодняшних транзисторов довольно много. Используйте гелий вместо воздуха, и средняя длина свободного пробега приблизится примерно к 1 мкм. Это означает, что для электрона, проходящего через гелий путь в 100 нм, вероятность столкновения с молекулой газа будет всего лишь порядка 10%. Сделайте зазор меньше, и вероятность столкновений станет еще ниже.
Но даже при невысокой вероятности столкновения многие электроны все же будут сталкиваться с молекулами газа. Если в результате соударения из молекулы газа выбивается электрон, она превращается в положительно заряженный ион, который под действием электрического поля отправляется к катоду. Бомбардировка положительными ионами приводит к деградации катода. Таким образом, очевидно, что влияние этого эффекта надо стремиться свести к абсолютному минимуму.
По счастью, если напряжение будет низким, у электрона никогда не хватит энергии для ионизации гелия. Поэтому, если размеры вакуумного транзистора существенно меньше длины свободного пробега электронов, что сделать несложно, а рабочее напряжение достаточно низкое (что также просто обеспечить), устройство сможет прекрасно работать при обычном атмосферном давлении. То есть, фактически, вам вообще не нужно заботиться о поддержании какого-либо вакуума в устройстве, которое номинально считается кусочком «вакуумной» электроники.
Но как вы будете включать и выключать этот новый вид транзистора- В случае электровакуумного триода протекающим через него током вы управляете, меняя напряжение, приложенное к сетке – электроду, расположенному между катодом и анодом. Чем ближе сетка размещена к катоду, тем выше качество электростатического управления, но одновременно увеличивается и текущий в сетку ток. В идеале через сетку вообще не должен протекать какой-либо ток, являющийся источником лишних потерь энергии, а иногда даже и причиной выхода лампы из строя. Но на практике небольшой сеточный ток всегда присутствует.
Для преодоления этих проблем, током, протекающим через наш вакуумный транзистор, мы управляем точно также, как в обычном MOSFET, используя электрод затвора, изолированный от токового канала диэлектрическим материалом (диоксидом кремния). Диэлектрический изолятор не препятствует электрическому полю, но не пускает ток в затвор.
Итак, вы видите, что вакуумно-канальный транзистор совсем не сложен. Напротив, принцип его работы намного проще, чем у любого типа транзисторов, созданных к настоящему времени.
Мы находимся еще на самой ранней стадии исследований, но верим, что последние усовершенствования, внесенные нами в конструкцию транзистора с вакуумным каналом, в один прекрасный день смогут оказать колоссальное влияние на электронную индустрию, прежде всего в части тех приложений, для которых первостепенное значение имеет скорость. Сделав лишь первые шаги, мы уже сумели создать устройство, способное работать на частоте 460 ГГц и превзошедшее лучшие кремниевые транзисторы по быстродействию, грубо говоря, в 10 раз. Это делает транзисторы с вакуумным каналом очень перспективным прибором для работы в области, называемой «терагерцовый провал», – части электромагнитного спектра между СВЧ и инфракрасными волнами.
Транзисторы с вакуумным каналом открывают перспективы использования частотного диапазона, расположенного между СВЧ и инфракрасными волнами – области спектра, иногда называемой «терагерцовым провалом» из-за трудности использования в ней большинства полупроводниковых приборов. К перспективным приложениям для терагерцового диапазона относятся средства
направленных высокоскоростных коммуникаций и детекторы опасных материалов.
Эти частоты, занимающие диапазон от 0.1 до 10 ТГц, полезны, например, для обнаружения опасных материалов и обеспечения скрытности высокоскоростных коммуникаций. Сфера возможных применений, конечно же, не ограничивается парой приведенных примеров. Но воспользоваться преимуществами терагерцовых волн очень сложно из-за неспособности обычных полупроводников к генерации или усилению сигналов на таких частотах. Вакуумные транзисторы могут, извините за выражение, заполнить эту дыру. Эти транзисторы также могут найти свое место в будущих микропроцессорах, ведь технология их производства полностью совместима с технологией обычных КМОП схем. Но, прежде чем это произойдет, нужно будет решить несколько проблем.
Прототип нашего вакуумного транзистора работает при напряжении 10 В, что на порядок больше напряжения, используемого в современных КМОП схемах. Но исследователям из Питтсбургского университета удалось сделать вакуумные транзисторы с рабочими напряжениями всего 1 или 2 вольта, хотя и ценой существенных компромиссов в отношении гибкости конструкции. Мы абсолютно уверены, что тоже сможем снизить требования к питанию нашего устройства до таких же уровней, сократив расстояние между анодом и катодом. Кроме того, степень заостренности этих электродов определяет концентрацию электрического поля, а от состава материала катода зависит величина поля, необходимого для извлечения из него электронов. Таким образом, мы могли бы снизить требуемое напряжение за счет конструкции электродов, сделав их более острыми на концах, а также за счет выбора более подходящего химического состава с меньшим барьером для выходящих из катода электронов. Несомненно, это будет своего рода эквилибристикой, поскольку изменения, направленные на снижение рабочего напряжения, могут поставить под угрозу долговременную стабильность электродов и результирующий срок службы транзистора.
Следующим важным для нас шагом будет размещение большого количества вакуумных транзисторов в интегральной схеме. Для этого мы должны быть в состоянии использовать множество существующих средств компьютерного проектирования и моделирования, разработанных для конструирования КМОП микросхем. Но прежде чем мы попытаемся это сделать, нам придется изменить наши компьютерные модели для этого нового транзистора и выработать определенные правила проектирования для соединения множества транзисторов в одну схему. Кроме того, мы будем должны придумать соответствующие методы корпусировния этих устройств, наполненных гелием под давлением в одну атмосферу. Скорее всего, технологии, используемые в настоящее время для герметизации различных МЭМС датчиков, таких как акселерометры и гироскопы, вполне успешно смогут быть применены и к схемам на транзисторах с вакуумным каналом.
Правда, прежде чем мы сможем предложить рынку коммерческий продукт, нам предстоит еще проделать очень большую работу. Но когда она будет, в конце концов, закончена, это новое поколение вакуумной электроники удивит нас многими своими возможностями. Ждите этого. В противном случае вы можете испытать нечто немного похожее на чувства тех военных аналитиков, которые обследовали советский МиГ-25 в Японии в 1976 году. Позже они поняли, что основанная на вакууме авионика может противостоять электромагнитному импульсу ядерного взрыва лучше, чем все, что имелось на самолетах Запада. Только тогда они начали осознавать ценность небольшого небытия.
