stringtranslate.com

Наноразмерный вакуумно-канальный транзистор

Наноразмерный вакуумно-канальный транзистор ( NVCT ) — это транзистор , в котором средой переноса электронов является вакуум , что очень похоже на вакуумную трубку . В традиционном твердотельном транзисторе между истоком и стоком существует полупроводниковый канал, и ток протекает через полупроводник. Однако в наноразмерном вакуумно-канальном транзисторе [1] между истоком и стоком нет материала, и поэтому ток протекает через вакуум.

Теоретически ожидается, что транзистор с вакуумным каналом будет работать быстрее, чем традиционный твердотельный транзистор, [2] и иметь более высокую выходную мощность и более низкое рабочее напряжение. [1] Кроме того, ожидается, что транзисторы с вакуумным каналом будут работать при более высоких температурах и уровнях радиации, чем традиционный транзистор [2], что делает их пригодными для применения в космосе.

Разработка вакуумных канальных транзисторов все еще находится на очень ранней стадии исследований, и в недавней литературе имеется лишь ограниченное количество исследований, таких как вертикальный полевой эмиттерный вакуумный канальный транзистор, [1] [3] [4] вакуумный канальный транзистор с плоскими электродами и изолированным затвором, вертикальный вакуумный канальный транзистор, [5] и вакуумный канальный транзистор с круговым затвором. [6]

История

Концепция использования обычного полевого электронного пучка в диоде впервые была упомянута в статье Кеннета Шоулдерса 1961 года. [7] Однако из-за технологической сложности изготовления полевого источника электронов такой диод не был реализован.

По мере развития области микропроизводства стало возможным изготавливать источники электронов с полевой эмиссией, тем самым прокладывая путь для транзисторов с вакуумным каналом. Первая успешная реализация была сообщена Гэри и др. 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 микротехнологий позволили сократить длину вакуумного канала между истоком и стоком, тем самым значительно снизив пороговое напряжение затвора до уровня ниже 0,5 В [1] [5] , что сопоставимо с пороговым напряжением затвора современных твердотельных транзисторов.

Поскольку уменьшение размеров твердотельных транзисторов приближается к своему теоретическому пределу, [8] альтернативой могут стать транзисторы с вакуумным каналом.

Упрощенная эксплуатация

Наномасштабный вакуумно-канальный транзистор по сути является миниатюрной версией вакуумной трубки . Он состоит из источника электронов с полевой эмиттерной структурой, коллекторного электрода и затворного электрода. Источник электронов и коллекторные электроды разделены небольшим расстоянием, обычно порядка нескольких нанометров. Когда напряжение подается на источник и коллекторный электрод, из-за полевой эмиссии электроны испускаются из исходного электрода, проходят через зазор и собираются коллекторным электродом. Затворный электрод используется для управления током, протекающим через вакуумный канал.

Несмотря на название, вакуумно-канальные транзисторы не требуют откачки. Промежуток, который преодолевают электроны, настолько мал, что столкновения с молекулами газа при атмосферном давлении происходят достаточно редко, чтобы не иметь значения.

Преимущества

Наномасштабные вакуумно-канальные транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными твердотельными транзисторами, такими как высокая скорость, высокая выходная мощность, работа при высокой температуре и устойчивость к сильному излучению. Преимущества вакуумно-канального транзистора по сравнению с твердотельным транзистором подробно обсуждаются ниже:

Высокоскоростной

В твердотельном транзисторе электроны сталкиваются с решеткой полупроводника и страдают от рассеяния, что замедляет скорость электронов. Фактически, в кремнии скорость электронов ограничена 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). Поэтому транзистор с вакуумным каналом может работать с большей скоростью, чем кремниевый твердотельный транзистор.

Эксплуатация при высокой температуре

Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,11 эВ, и тепловая энергия электронов должна оставаться ниже этого значения, чтобы кремний сохранял свои полупроводниковые свойства. Это накладывает ограничение на рабочую температуру кремниевых транзисторов. Однако в вакууме такого ограничения не существует. Поэтому транзистор с вакуумным каналом может работать при гораздо более высокой температуре, ограничиваясь только температурой плавления материалов, используемых для его изготовления. Вакуумный транзистор может использоваться в приложениях, где требуется устойчивость к высоким температурам.

Иммунитет к радиации

Излучение может ионизировать атомы в твердотельном транзисторе. Эти ионизированные атомы и соответствующие электроны могут мешать переносу электронов между источником и коллектором. Однако в транзисторах с вакуумным каналом ионизация не происходит. Поэтому транзистор с вакуумным каналом можно использовать в условиях высокой радиации, например, в открытом космосе или внутри ядерного реактора.

Недостаток

Производительность транзистора с вакуумным каналом зависит от полевой эмиссии электронов из электрода источника. Однако из-за сильного электрического поля электроды источника со временем деградируют, тем самым уменьшая ток эмиссии. [10] Из-за деградации электрода источника электронов транзисторы с вакуумным каналом страдают от низкой надежности. [10]

Ссылки

  1. ^ abcd Нгуен, Х. (2019). «Высокопроизводительная полевая эмиссия на основе наноструктурированного селенида олова для наномасштабных вакуумных транзисторов». Nanoscale . 11 (7): 3129–3137. doi :10.1039/C8NR07912A. PMID  30706919. S2CID  73445584.
  2. ^ ab Грин, Р.; Грей, Х.; Камписи, Г. (1985). «Вакуумные интегральные схемы». 1985 Международная встреча по электронным приборам . Том 31. С. 172–175. doi :10.1109/IEDM.1985.190922. S2CID  11778656.
  3. ^ ab Gray, HF; Campisi, GJ; Greene, RF (1986). «Вакуумный полевой транзистор с использованием кремниевых полевых эмиттерных матриц». 1986 International Electron Devices Meeting . Vol. 32. pp. 776–779. doi :10.1109/IEDM.1986.191310. S2CID  26572635.
  4. ^ Campisi, GJ; Gray, HF (1986-01-01). «Микропроизводство полевых эмиссионных приборов для вакуумных интегральных схем с использованием травления, зависящего от ориентации». Архив библиотеки онлайн-записей MRS . 76. doi :10.1557/PROC-76-67. ISSN  1946-4274.
  5. ^ ab Srisonphan, Siwapon; Jung, Yun Suk; Kim, Hong Koo (2012). «Металл–оксид–полупроводниковый полевой транзистор с вакуумным каналом». Nature Nanotechnology . 7 (8): 504–508. Bibcode : 2012NatNa...7..504S. doi : 10.1038/nnano.2012.107. PMID  22751220.
  6. ^ 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. doi : 10.1021/acs.nanolett.6b04363. ISSN  1530-6984. PMID  28334531. S2CID  439350.
  7. ^ Шоулдерс, Кеннет Р. (1961). Микроэлектроника с использованием методов обработки, активируемых электронным лучом* - ScienceDirect . Том 2. С. 135–293. doi :10.1016/S0065-2458(08)60142-4. ISBN 9780120121021. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  8. ^ Уолдроп, М. Митчелл (2016-02-11). «Закон Мура уже позади». Nature . 530 (7589): 144–147. Bibcode :2016Natur.530..144W. doi : 10.1038/530144a . PMID  26863965.
  9. ^ Sze, SM (1981). Физика полупроводниковых приборов . США: John Wiley & Sons. С. 46. ISBN 978-0-471-05661-4.
  10. ^ ab Han, Jin-Woo (2012-05-21). "Вакуумная наноэлектроника: Назад в будущее? — Наноразмерный вакуумный канальный транзистор с изолированным затвором". Applied Physics Letters . 100 (21): 213505. Bibcode : 2012ApPhL.100u3505H. doi : 10.1063/1.4717751. ISSN  0003-6951.

Дальнейшее чтение