Наноразмерный транзистор с вакуумным каналом
Наноразмерный транзистор с вакуумным каналом ( NVCT ) — это транзистор , в котором средой переноса электронов является вакуум , очень похожий на вакуумную лампу . В традиционном твердотельном транзисторе между истоком и стоком существует полупроводниковый канал, и ток течет через полупроводник. Однако в наноразмерном транзисторе с вакуумным каналом [1] Между истоком и стоком нет материала, и, следовательно, ток течет через вакуум.
Теоретически ожидается, что транзистор с вакуумным каналом будет работать быстрее, чем традиционный твердотельный транзистор. [2] и имеют более высокую выходную мощность и более низкое рабочее напряжение. [1] Более того, ожидается, что транзисторы с вакуумным каналом будут работать при более высоких температурах и уровне излучения, чем традиционные транзисторы. [2] что делает их пригодными для космического применения.
Разработка транзисторов с вакуумным каналом все еще находится на очень ранней стадии исследований, и в современной литературе имеются лишь ограниченные исследования, такие как транзистор с вакуумным каналом с вертикальным полевым эмиттером, [1] [3] [4] планарные электроды с изолированным затвором, транзистор с вакуумным каналом, транзистор с вертикальным вакуумным каналом, [5] и транзистор с вакуумным каналом с универсальным затвором. [6]
История
[ редактировать ]Идея использования обычного электронного луча в диоде была впервые упомянута в статье Кеннета Шоулдерса в 1961 году. [7] Однако из-за технологической сложности изготовления автоэмиттерного источника электронов такой диод не был реализован.
По мере развития области микропроизводства стало возможным изготавливать автоэмиссионные источники электронов, тем самым открыв путь для транзисторов с вакуумным каналом. О первой успешной реализации сообщили Gary et al. в 1986 году. [3] Однако ранние транзисторы с вакуумным каналом страдали от высокого порогового напряжения затвора и не могли конкурировать с твердотельными транзисторами.
Более поздние достижения в области микропроизводства позволили уменьшить длину вакуумного канала между истоком и стоком, тем самым значительно уменьшив пороговое напряжение затвора ниже 0,5 В. [1] [5] что сравнимо с пороговым напряжением затвора современных твердотельных транзисторов.
Поскольку сокращение твердотельных транзисторов достигает своего теоретического предела, [8] Альтернативой могут стать транзисторы с вакуумным каналом.
Упрощенная работа
[ редактировать ]Наноразмерный транзистор с вакуумным каналом — это, по сути, миниатюрная версия вакуумной лампы . Он состоит из источника электронов с полевым эмиттером, коллекторного электрода и затворного электрода. Источник электронов и электроды коллектора разделены небольшим расстоянием, обычно порядка нескольких нанометров. Когда напряжение прикладывается к истоку и коллекторному электроду, из-за автоэмиссии электроны испускаются из истокового электрода, проходят через зазор и собираются коллекторным электродом. Электрод затвора используется для управления потоком тока через вакуумный канал.
Несмотря на название, вакуумно-канальные транзисторы не нуждаются в вакуумировании. Зазор, пересекаемый электронами, настолько мал, что столкновения с молекулами газа при атмосферном давлении достаточно редки, чтобы не иметь значения.
Преимущества
[ редактировать ]Наноразмерные транзисторы с вакуумным каналом имеют ряд преимуществ перед традиционными твердотельными транзисторами, таких как высокая скорость, высокая выходная мощность, работа при высоких температурах и невосприимчивость к сильному излучению. Преимущества транзистора с вакуумным каналом перед твердотельным транзистором подробно рассмотрены ниже:
Высокоскоростной
[ редактировать ]В твердотельном транзисторе электроны сталкиваются с решеткой полупроводника и подвергаются рассеянию, которое замедляет скорость электронов. Фактически в кремнии скорость электронов ограничена величиной 1,4×10 7 см/с. [9] Однако в вакууме электроны не страдают от рассеяния и могут достигать скоростей, приближающихся к скорости света (3×10 10 см/с). Следовательно, транзистор с вакуумным каналом может работать с большей скоростью, чем кремниевый твердотельный транзистор.
Эксплуатация при высокой температуре
[ редактировать ]Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,11 эВ, и тепловая энергия электронов должна оставаться ниже этого значения, чтобы кремний сохранил свои полупроводниковые свойства. Это накладывает ограничение на рабочую температуру кремниевых транзисторов. Однако в вакууме такого ограничения не существует. Следовательно, транзистор с вакуумным каналом может работать при гораздо более высокой температуре, ограниченной только температурой плавления материалов, использованных для его изготовления. Вакуумный транзистор может использоваться в приложениях, где требуется устойчивость к высоким температурам.
Иммунитет к радиации
[ редактировать ]Излучение может ионизировать атомы твердотельного транзистора. Эти ионизированные атомы и соответствующие электроны могут мешать транспорту электронов между источником и коллектором. Однако в транзисторах с вакуумным каналом ионизация не происходит. Следовательно, транзистор с вакуумным каналом можно использовать в условиях высокой радиации, например, в космическом пространстве или внутри ядерного реактора.
Недостаток
[ редактировать ]Производительность транзистора с вакуумным каналом зависит от автоэмиссии электронов с исходного электрода. Однако из-за сильного электрического поля электроды истока со временем деградируют, тем самым уменьшая ток эмиссии. [10] Из-за деградации электрода-источника электронов транзисторы с вакуумным каналом имеют низкую надежность. [10]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Нгуен, Х. (2019). «Высокоэффективная полевая эмиссия на основе наноструктурированного селенида олова для наноразмерных вакуумных транзисторов». Наномасштаб . 11 (7): 3129–3137. дои : 10.1039/C8NR07912A . ПМИД 30706919 . S2CID 73445584 .
- ^ Перейти обратно: а б Грин, Р.; Грей, Х.; Кампизи, Г. (1985). «Вакуумные интегральные схемы». 1985 Международная встреча по электронным устройствам . Том. 31. С. 172–175. дои : 10.1109/IEDM.1985.190922 . S2CID 11778656 .
- ^ Перейти обратно: а б Серый, ВЧ; Камписи, Дж.Дж.; Грин, РФ (1986). «Вакуумный полевой транзистор с использованием кремниевых полевых эмиттеров». 1986 Международная встреча по электронным устройствам . Том. 32. С. 776–779. дои : 10.1109/IEDM.1986.191310 . S2CID 26572635 .
- ^ Камписи, Дж.Дж.; Грей, HF (1 января 1986 г.). «Микропроизводство автоэмиссионных устройств для вакуумных интегральных схем с использованием ориентационно-зависимого травления». Архив библиотеки онлайн-трудов MRS . 76 . дои : 10.1557/PROC-76-67 . ISSN 1946-4274 .
- ^ Перейти обратно: а б Шрисонфан, Сивапон; Юнг, Юн Сок; Ким, Хон Ку (2012). «Полевой транзистор Металл–оксид–полупроводник с вакуумным каналом». Природные нанотехнологии . 7 (8): 504–508. Бибкод : 2012НатНа...7..504С . дои : 10.1038/nnano.2012.107 . ПМИД 22751220 .
- ^ Хан, Джин Ву; Мун, Донг-Иль; Мейяппан, М. (12 апреля 2017 г.). «Наноразмерный вакуумный канальный транзистор». Нано-буквы . 17 (4): 2146–2151. Бибкод : 2017NanoL..17.2146H . дои : 10.1021/acs.nanolett.6b04363 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 28334531 . S2CID 439350 .
- ^ Плечи, Кеннет Р. (1961). Микроэлектроника с использованием методов электронно-лучевой обработки * - ScienceDirect . Том. 2. С. 135–293. дои : 10.1016/S0065-2458(08)60142-4 . ISBN 9780120121021 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Уолдроп, М. Митчелл (11 февраля 2016 г.). «Закон Мура не работает» . Природа . 530 (7589): 144–147. Бибкод : 2016Natur.530..144W . дои : 10.1038/530144a . ПМИД 26863965 .
- ^ Сзе, С.М. (1981). Физика полупроводниковых приборов . США: Джон Уайли и сыновья. стр. 46 . ISBN 978-0-471-05661-4 .
- ^ Перейти обратно: а б Хан, Джин Ву (21 мая 2012 г.). «Вакуумная наноэлектроника: Назад в будущее? - Наноразмерный вакуумный канальный транзистор с изолированным затвором» . Письма по прикладной физике . 100 (21): 213505. Бибкод : 2012ApPhL.100u3505H . дои : 10.1063/1.4717751 . ISSN 0003-6951 .