美科学家研制出新型真空沟道晶体管

　　虽然真空管曾经一度是早期电子元器件的基本核心组件，但是截止到上个世纪七十年代，真空管就已基本被半导体晶体管所全部替代。可是，近年来美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心的研究人员一直在开发可将真空管和现代半导体晶体管的优势融为一体的“纳米真空沟道晶体管”(NVCTs, nanoscale vacuum channel transistors)。

　　与传统晶体管相比，纳米真空沟道晶体管的速度更快且对高温和辐射等极端环境的抵抗能力更强。这些优势使纳米真空沟道晶体管成为了抗辐照深空通信、高频器件和太赫兹电子器件的理想选择。此外，纳米真空沟道器件还有望继续延续即将走向尽头的摩尔定律。

　　与半导体晶体管相比传统真空管还有明显的劣势，比较突出的是其体积巨大且能耗严重，正是由于这些原因导致其逐渐淘汰。对于纳米真空沟道晶体管来说，尺寸不再是一个令人担心的问题，由于在制造器件的过程中应用了现代半导体制造技术，晶体管的尺寸可达到仅有几纳米的水平。为了解决更为急迫的能耗问题，艾姆斯研究中心的研究人员最近又设计出了一种硅基纳米真空沟道晶体管，该晶体管具有改进的栅极结构，将驱动电压从几十伏减少到不到5伏，从而有效降低了能耗。该研究工作已发表在最新一期的《纳米快报》上。

　　在纳米真空沟道晶体管中，栅极的作用是利用驱动电压控制电子在源极和漏极之间的流动。相反，传统真空管是通过加热器件的发射极来释放电子的。由于电子被发射后经过的路径处于真空状态，电子的移动速度会很高，这便是真空管运行速度快的根本原因。

　　纳米真空沟道晶体管中其实并没有实际意义上的真空环境，恰恰相反，电子会经过一个充满惰性气体(如氦气)的空间。由于源漏两极之间的距离非常小(约50纳米左右)，电子在运动过程中与气体分子发生碰撞的几率很低，因此电子在这种“准真空”环境中的运动速度与在实际真空中的运动速度十分接近。即便电子与气体分子发生了碰撞，但由于器件的工作电压很低，气体分子并不会被电离。

　　新型真空沟道晶体管的最大的优势是其对高温和电离辐射具有很强的抵抗能力，这使其有望在军事和空间应用领域常见的极端环境中获得应用。最新的实验研究结果显示，纳米真空沟道晶体管在高达200摄氏度的高温下运行时的性能依然稳定。相比之下，传统半导体晶体管在该温度下将会中止运行。验证测试还显示新型纳米真空沟道晶体管具有相当强的抵抗伽马射线和质子辐射的能力。

　　未来，研究人员计划进一步改善纳米真空沟道晶体管的性能。研究计划包括器件结构及器件材料属性的纳米尺度建模和对器件老化机制的研究，以改善器件的可靠性、延长器件寿命。