CC BY
3
УДК 621.382
ТРАНЗИСТОР С ВАКУУМНЫМ КАНАЛОМ - НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ
АЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
А. Ф. Крикау Научный руководитель - Г. М. Гринберг
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: krikauaf@mail.ru
В статье рассматривается прогресс электронных компонентов. В первой части статьи повествуется о переходе от устаревших вакуумные электронных лам до современных транзисторов и их преимущества и недостатки, Во второй части рассматривается транзистор с вакуумным каналом. Особенности его изготовления и преимущества, благодаря которым его использование в космической технике становится очень перспективным.
Ключевые слова: электронные компоненты, транзистор с вакуумным каналом, вакуумная электронная лампа, полупроводниковый транзистор, космическая радиация.
TRANSISTOR WITH A VACUUM CHANNEL - A NEW DIRECTION IN THE DEVELOPMENT OF ELECTRONICS
A. F. Krikau Scientific supervisor - G. M. Greenberg
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
Е-mail: krikauaf@mail.ru
This article discusses the progress of electronic components. The first part of the article describes the transition from obsolete vacuum tubes to modern transistors and their advantages and disadvantages, the second part discusses a transistor with a vacuum channel. Features of its manufacture and advantages, thanks to which its use in space technology becomes very promising.
Keywords: electronic components, transistor with vacuum channel, vacuum electronic lamp, semiconductor transistor, cosmic radiation.
Трудно найти такую область науки и техники, которая так быстро развивалась и оказала большее влияние на все стороны жизнедеятельности человека как электроника. Одна из важных областей электроники это космическая электроника. Потребность в ней возникла вместе с освоением космоса: ученым понадобились устойчивые к космическим условиям технологии сбора, хранения, обработки и передачи информации. Для решения этих задач инженеры создают все более совершенные электронные компоненты.
Как самостоятельное направление науки и техники электроника сформировалась благодаря изобретению вакуумной электронной лампы. Сначала возникли радиосвязь, радиовещание, радиолокация, телевидение, затем электронные системы управления, вычислительная техника и т. Первые космических аппараты тоже строили на аналоговых вакуумных электронных лампах.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
Зачастую вакуумной электронной лампой способной усиливать сигнал является триод, названный так из-за своей конструкции, которая содержит три электрода: катод, анод и сетку. Конструкция представляется катод, окружённый сеткой, а сетка окружена анодом. Работа его заключается в том, что напряжением сетке, можно управлять током между анодом и катодом. Увеличению температуры катода приводит к испусканию им электронов. Электрический ток в ней основываются на процессе термоэлектронной эмиссии [1].
Преимущество их в том, что они могут работать с напряжениями на несколько порядков выше 1 кВ и на очень больших частотах, более устойчивы к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс, могут быть рассчитаны на большие температурные и радиационные диапазоны условий, практически не подвержены воздействию космической радиации.
Но они имеют недостатки: большие габариты, высокое энергопотребление, большое время вхождения в рабочий режим и низкую надежность. В результате через 20-30 лет существования ламповая электроника во многом подошла к пределу своих возможностей.
В середине 20 века инженеры перешли от вакуумных электронных ламп к транзисторам, которые во много раз меньше по размеру и примерно в тысячу раз более производительные. Электрический ток в нём происходит от диффузии и дрейфа электронов или «дырок» между истоком и стоком через твердый полупроводниковый материал, который отделяет их.
Преимущества полупроводниковых транзисторов над вакуумными электронными лампами в их несоизмеримо меньших размерах, меньшой стоимости изготовления, большим сроком службы, надежности и однородности структуры [1].
Но если рассматривать электронные приборы исключительно как среду для переноса заряда, вакуумные электронные лампы выигрывают у полупроводниковых транзисторов. В них электроны свободно распространяются через вакуум, а электронам в транзисторах мешают свободно передвигаться атомы кристаллической решеткой твердого тела с которыми они сталкиваются. Это приводит к тому, что транзисторы зачастую медленнее вакуумных электронных ламп. В результате этого вычисления не такими быстрыми. Кроме того, вакуум не подвержен радиационным повреждениям, производит меньше искажений и шума. Ещё одни их минусу полупроводников восприимчивости к сильному излучению, которое нарушает атомную структуру кремния, так что заряды перестают двигаться должным образом. Это является большой проблемой для космической отрасли, в которой нужны электронные компоненты, способные работать и не разрушаться в радиационно-жестких условиях, таких как открытый космос.
По мере того, как транзисторы на основе кремния постепенно достигают предела своих возможностей, было предпринято много усилий в области новых наноструктур. Среди разработок одной из перспективной являются наноразмерный транзистор с вакуумным каналом. В отличие от ранних вакуумных электронных ламп с большим энергопотреблением и сложностью высокой интеграции, структуры наноразмерного транзистора с вакуумным каналом более перспективны для современной наноэлектроники.
Новое устройство представляет собой нечто среднее между сегодняшними транзисторами и вакуумными электронными лампами прошлых лет. Он маленький и простой в изготовлении, но при этом быстрый.
В отличие от кремния, который может быть как проводником, так и изолятором, в зависимости от того, как он химически изменен, транзисторы с вакуумным каналом могут быть сделаны из целого ряда металлов, таких как вольфрам, молибден, золото и платина [2].
Он создается путем травления крошечной полости в легированном фосфором кремнии. Полость ограничена тремя электродами: истоком, затвором и стоком. Исток и сток разделены всего 150 нанометрами, а затвор находится сверху. Электроны испускаются из истока благодаря приложенному к нему и стоку напряжению, а затвор управляет потоком
электронов через полость [3]. Схема процесса изготовления транзистора с вакуумным каналом показана на (Рис. 1).
Рис. 1. Схема процесса изготовления транзистора с вакуумным каналом
Преимущества транзисторов с вакуумным каналом над кремнёвым транзистором в том, что он может работать при гораздо более высокой температуре, которая ограничивается только температурой плавления материалов, из которых он изготовлен, может работать с большей скоростью,применяться в среде с высоким уровнем излучения. Все эти преимущества делают перспективным использование его в космическом пространстве.
Недостаток его в том, что характеристикиего зависят от автоэмиссии электронов от электрода истока. Однако из-за высокого электрического поля электрод истока со временем деградируют, тем самым уменьшая ток эмиссии. Из-за деградации электрода истока транзисторы с вакуумным каналом обладают невысокой надежностью.
Транзистора с вакуумным каналом не сможет полностью заменить кремний, так как кремний, очевидно, будет стандартом еще многие годы. Но исследования в этой области идет из-за потенциального применения транзисторов с вакуумным каналом в космической и авиационной технике.
Библиографические ссылки
1. Han JW, Meyyappan M. "Introducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing" // IEEE Spectrum, 23.06.2014. https://www.radiolocman.com/review/article.html?di=160932
2. Han JW, Moon DI, Meyyappan M. Nanoscale vacuum channel transistor. Nano Lett. 2017;17(4):2146-2151. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6b04363
3. Xu J., Yaling Q., Yongjiao S. Design and circuit simulation of nanoscale vacuum channel transistors // Nanoscale Adv., 2020, 2, 3582-3587. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/ 2020/na/d0na00442a
© Крикау А.Ф., 2022
