Любопытная смесь из электронной лампы и МОП-транзистора однажды, возможно, заменит традиционный кремний
В сентябре 1976 года, в разгаре Холодной войны, Виктор Иванович Беленко, советский лётчик и перебежчик, отклонился от курса тренировочного полёта над Сибирью, который он проводил в самолёте Миг-25П, быстро пересёк Японское море на малой высоте, и посадил самолёт в гражданском аэропорту Хоккайдо, когда топлива уже оставалось всего на 30 секунд. Его внезапная измена Родине стала манной небесной для американских военных аналитиков, у которых впервые появилась возможность вблизи изучить высокоскоростной советский истребитель, считавшийся ими одним из наиболее передовых самолётов. Но то, что они увидели, их поразило.
Корпус летательного аппарата был сделан грубее, чем у современных ему американских истребителей, и в основном состоял из стали, а не из титана. Приборные отсеки были заполнены оборудованием, работавшим на электронных лампах, а не на транзисторах. Очевидным заключением, несмотря на бытовавшие страхи, стало то, что даже самая передовая технология безнадёжно отстала от западной.
Ведь в США электронные лампы [которые там называют вакуумными трубками / прим. перев.] уступили дорогу меньшим по размеру и энергопотреблению твердотельным устройствам за два десятилетия до этого, вскоре после того, как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Брэттейн собрали первый транзистор в Лабораториях Белла в 1947. К середине 1970-х электронные лампы в западной электронике можно было найти только в различных видах специального оборудования – не считая огромного количества электронно-лучевых трубок телевизоров. Сегодня исчезли и они, и вне немногочисленных ниш электронные лампы практически вымерли. Поэтому вас может удивить, что некоторые скромные изменения в процессе изготовления интегральных схем могут снова вдохнуть жизнь в вакуумную электронику.
Мы в Исследовательском центре Эймса в НАСА последние несколько лет разрабатывали транзисторы с вакуумным каналом (ТВК). Наши исследования пока находятся на раннем этапе, но изготовленные нами прототипы демонстрируют чрезвычайно многообещающие перспективы этих инновационных устройств. Транзисторы с вакуумным каналом могут работать в 10 раз быстрее обычных кремниевых, и, возможно, смогут работать на терагерцовых частотах, которые давно остаются за пределами возможностей любого твердотельного устройства. Также они гораздо легче переносят высокие температуры и радиацию. Чтобы понять, почему так происходит, стоит разобраться в создании и функционировании старых добрых электронных ламп.
Потомок лампы накаливания. Электронные лампы стали естественным результатом развития ламп накаливания, разработка которых активно пошла после исследований Томаса Эдисона, который изучал возможности излучения электронов разогретыми нитями. На фото представлен ранний пример лампы Аудион от 1906 года, которая сильно напоминает лампу накаливания, хотя нить в этой лампе не видна – она уже давно сгорела. Нить работала катодом, с которого электроды слетали по направлению к аноду или пластине, расположенной в центре стеклянной трубы. Ток с катода на анод можно было контролировать изменением напряжения, прикладываемого к сетке – зигзагообразному проводу, который видно под пластиной.
Электронные лампы размером с палец, усиливавшие сигналы в бесчисленных радио- и телеприёмниках в первой половине XX века могут выглядеть совершенно непохоже на металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы или MOSFET), регулярно поражающие нас своими возможностями в современной цифровой электронике. Но они многим похожи. Во-первых, они оба трёхконтактные устройства. Напряжение, подаваемое на один контакт – сетку у простой электронной лампы-триода или на затвор транзистора – управляет количеством тока, проходящего между другими контактами: от катода к аноду у электронной лампы и от истока к стоку в MOSFET. Эта способность позволяет этим устройствам работать, как усилители или как переключатели.
Однако электрический ток в электронной лампе течёт совершенно не так, как в транзисторе. Электронные лампы работают за счёт термоэлектронной эмиссии: нагрев катода заставляет его выбрасывать электроны в окружающий вакуум. Ток в транзисторах происходит из-за диффузии электронов (или дырок, мест, где не хватает электрона) между истоком и стоком сквозь разделяющий их твёрдый полупроводящий материал.
Почему электронные лампы так давно дали дорогу твёрдотельной электронике? Среди преимуществ полупроводников – малая стоимость, гораздо меньший размер, гораздо большее время жизни, эффективность, надёжность, прочность и постоянство. Но при всём при этом чисто как среда для передачи заряда вакуум выигрывает у полупроводников. Электроны легко распространяются в пустоте вакуума, а в атомах твёрдого тела они испытывают столкновения (рассеивание на кристаллической решётке). Более того, вакуум не подвержен повреждениям из-за радиации, поражающим полупроводники, а также производит меньше шума и искажений, чем твёрдотельные материалы.
Недостатки электронных ламп не так досаждают, если вам нужно лишь небольшое их количество, чтобы собрать радио или телевизор. Однако в более сложных схемах они проявили себя с худшей стороны. К примеру в компьютере ENIAC 1946 года было 17 468 ламп, он потреблял 150 кВт энергии, весил более 27 тонн и занимал почти 200 м2 пространства. И постоянно ломался – каждый день-два из строя выходила очередная лампа.
Чип в бутылке: простейшая электронная лампа, способная на усиление, это триод, названный так потому, что у него есть три электрода: катод, анод и сетка. Обычно эта структура имеет цилиндрическую симметрию, когда катод окружён сеткой, а сетка окружена анодом. Работа её похожа на работу полевого транзистора – напряжение, подаваемое на сетку, управляет током между двумя другими электродами. У триодных ламп часто было пять контактов, чтобы разместить два дополнительных электрических контакта для разогреваемой нити.
Революция транзисторов покончила с этими проблемами. Однако вал изменений в электронике произошёл в основном не потому, что у полупроводников были какие-то особые преимущества, а потому, что инженеры сумели наладить массовое производство и комбинирование транзисторов в интегральные схемы благодаря химической гравировке, или травлению, кремниевых подложек с целью получения нужного рисунка. С развитием технологии производства интегральных схем им удавалось запихивать всё больше и больше транзисторов на микрочипы, что позволяло схемам становиться всё более сложными с каждым поколением. Также электроника становилась быстрее, не становясь дороже.
Это преимущество в скорости существует потому, что транзисторы становились меньше, электронам внутри них приходилось проходить меньшие расстояния от истока к стоку, что позволяло быстрее включать и выключать каждый транзистор. Электронные лампы были большими и громоздкими, их нужно было изготавливать по отдельности на станках. И хотя с годами они улучшались, у них не было ничего похожего на благотворное воздействие закона Мура.
Однако, спустя четыре десятилетия сжатия размеров транзисторов, мы пришли к тому, что слой оксида, изолирующий затвор в типичном MOSFET достиг толщины всего в несколько нанометров, и всего несколько десятков нанометров разделяют исток и сток. Обычные транзисторы уже не получится сделать сильно меньше. А поиски всё более быстрых и энергоэффективных чипов продолжаются. Какой будет следующая технология транзисторов? Идёт интенсивная разработка нанопроводов, углеродных нанотрубок и графена. Возможно, один из этих подходов спасёт электронную индустрию. Или же все окажутся пшиком.
Мы разрабатываем ещё одного кандидата на замену MOSFET, такого, с которым исследователи периодически возятся уже много лет: транзистор с вакуумным каналом. Это результат скрещивания традиционной электронной лампы и современных технологий производства полупроводников. Эта любопытная смесь комбинирует лучшие свойства электронных ламп и транзисторов, и его можно сделать настолько маленьким и дешёвым, как любое твердотельное устройство. Именно способность изготавливать их в небольшом размере устраняет хорошо известные недостатки электронных ламп.
Транзистор из электронной лампы: транзисторы с вакуумным каналом очень напоминают метал-оксид-полупроводник, MOSFET (слева). В MOSFET напряжение, подаваемое на затвор, порождает электрическое поле в лежащем снизу полупроводнике. Это поле затягивает переносчиков заряда в канал между истоком и стоком, что позволяет току протекать. В затвор ток не течёт, он изолирован тонким слоем оксида. Транзистор с вакуумным каналом, разработанный авторами (справа) тоже использует тонкий слой оксида для изоляции затвора от катода с анодом, имеющих острые концы для усиления электрического поля.
В электронной лампе электрическая нить, схожая с нитью накаливания в лампочках, используется для разогрева катода, достаточного для того, чтобы он начал испускать электроны. Поэтому электронным лампам нужно время на разогрев, и потому они используют столько энергии. А также поэтому они так часто перегорают (часто это происходит из-за микроскопической утечки в стекле). Однако ТВК не нужна нить или горячий катод. Если устройство сделать достаточно маленьким, то электрического поля внутри него будет достаточно для вытягивания электронов из истока – это называется автоэлектронной эмиссией. Устраняя энергозатратные элементы подогрева, мы уменьшаем место, занимаемое устройством на чипе, и делаем этот новый транзистор энергетически эффективным.
Ещё одно слабое место электронных ламп состоит в том, что им нужно поддерживать глубокий вакуум, составляющий обычно порядка 1/1000 от атмосферного давления, чтобы избежать столкновения электронов с молекулами газов. При таких низких давлениях электрическое поле заставляет положительно заряженные ионы остаточного газа ускоряться и бомбардировать катод, создавая острые нанометровые выступы, из-за чего он деградирует и в итоге оказывается уничтоженным.
Эти давно известные проблемы вакуумной электроники можно преодолеть. Что, если расстояние между катодом и анодом будет меньше среднего расстояния, которое проходит электрон перед тем, как столкнуться с молекулой газа – меньше, чем средний свободный путь? Тогда не надо будет беспокоиться о столкновениях между электронами и молекулами газов. К примеру, средний свободный путь электронов в воздухе при нормальном давлении составляет 200 нм, что по шкале современных транзисторов довольно много. Если использовать вместо воздуха гелий, то средний свободный путь вырастет до 1 мкм. Это значит, что электрон, проходящий через разрыв шириной в 100 нм, столкнётся с газом с вероятностью всего в 10%. Сделайте разрыв меньше, и вероятность будет уменьшаться и далее.
Но даже с низкой вероятностью столкновения многие электроны всё равно будут сталкиваться с молекулами газа. Если удар выбьет связанный электрон из молекулы, она превратится в положительно заряженный ион, и электрическое поле отправит его по направлению к катоду. Из-за бомбардировки положительными ионами катоды деградируют. Поэтому этого процесса нужно по возможности избегать.
К счастью, при низком напряжении электроны никогда не наберут достаточно большой энергии для ионизации гелия. Поэтому, если размеры вакуумного транзистора будут гораздо меньше среднего свободного пути электронов (чего легко достичь), а рабочее напряжение будет достаточно низким (и это устроить нетрудно), то устройство сможет прекрасно работать при атмосферном давлении. То есть, в этой, номинально вакуумной электронике миниатюрного размера вообще не нужно будет поддерживать никакого вакуума!
А как включать и выключать этот новый транзистор? У электронной лампы-триода мы контролируем протекающий через неё ток, изменяя напряжение, подаваемое на сетку – похожий на решётку электрод, расположенный между катодом и анодом. Если поместить сетку ближе к катоду, это увеличит её электростатический контроль, однако увеличит и количество перетекающего на сетку тока. В идеале на сетку вообще не должен течь ток, поскольку это приводит к потерям энергии и даже к отказу лампы. Но на практике небольшой ток есть всегда.
Чтобы избежать подобных проблем, мы управляем током в ТВК так же, как в обычном MOSFET, используя электрод затвора, изолирующий его от тока диэлектрическим материалом (диоксидом кремния). Изолятор переносит электрическое поле туда, где оно требуется, не давая току протекать через сетку.
Как видно, ТВК – это совсем не сложное устройство. Оно работает гораздо проще любых предыдущих вариантов транзисторов.
Хотя мы всё ещё находимся на ранних этапах нашего исследования, мы считаем, что недавние улучшения ТВК смогут однажды серьёзно повлиять на индустрию электроники, в частности на те её области применения, где очень важна скорость. В самой первой нашей попытке по изготовлению прототипа у нас получилось устройство, способное работать с частотой в 460 ГГц – примерно в 10 раз больше лучших кремниевых транзисторов. Это делает ТВК многообещающим устройством для работы в т.н. терагерцовом разрыве – той части электромагнитного спектра, что находится выше микроволн и ниже инфракрасного диапазона.
Заполняя разрыв: ТВК обещают работать на частотах между микроволновыми и инфракрасными – этот диапазон спектра иногда называют терагерцовым разрывом, поскольку большая часть полупроводниковых устройств с трудом работает на таких частотах. Среди многообещающих вариантов использования – направленная высокоскоростная передача данных и отслеживание опасных веществ.
Такие частоты, в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц, полезны для распознавания опасных веществ и безопасной высокоскоростной передачи данных – и это только пара примеров. Однако использовать терагерцовые волны сложно, поскольку традиционные полупроводниковые устройства не могут создавать или распознавать такое излучение. Вакуумные транзисторы могли бы заполнить эту пустоту, извините за каламбур. Эти транзисторы могли бы пригодиться в будущих микропроцессорах, поскольку метод их производства полностью совместим с производством обычных микросхем. Однако перед этим необходимо решить несколько проблем.
Наш прототип ТВК работает от 10 В, что на порядок больше используемого микросхемами напряжения. Однако исследователи из Питтсбургского университета уже смогли сделать ТВК, работающие от 1 или 2 В, хотя это потребовало серьёзных компромиссов в гибкости дизайна. Мы уверены, что сможем уменьшить требования к напряжению до подобного уровня, уменьшая расстояние между катодом и анодом. Величина их угла определяет концентрацию электрического поля, а состав материала катода определяет, насколько сильное поле требуется для извлечения из него электронов. Поэтому мы, возможно, сумеем уменьшить напряжение, подобрав электроды с более острыми кончиками или более подходящий химический состав, уменьшающий барьер, который преодолевают электроны, убегая с катода. Это будет работа по поиску баланса, поскольку изменения, приводящие к уменьшению рабочего напряжения, будут уменьшать долгосрочную стабильность электродов и время жизни транзистора.
Следующий большой этап – создать большое количество ТВК, разместив их на интегральной схеме. Для этого мы планируем использовать множество уже существующих инструментов для разработки при помощи компьютера и ПО для симуляции работы интегральных схем. Но перед этим нам нужно будет уточнить наши компьютерные модели новых транзисторов, и разработать правила соединения большого их количества. Также нам нужно будет разработать подходящие методы упаковки для этих устройств с давлением в 1 атм, наполненных гелием. Скорее всего, для этого можно будет без особых проблем применить технологии, используемые для упаковки микроэлектромеханических датчиков – акселерометров и гироскопов.
Конечно, предстоит проделать ещё немало работы перед тем, как мы сможем начать коммерческое производство продукта. Но когда это произойдёт, новое поколение вакуумной электроники наверняка сможет похвастаться неожиданными возможностями. Стоит ожидать этого, иначе вы можете оказаться на месте военных аналитиков, изучивших советский Миг-25 в Японии в 1976 году: позже они поняли, что ламповые авиаприборы могут выдерживать электромагнитный импульс, порождённый ядерным взрывом, лучше любой начинки западных самолётов. И только тогда они смогли признать ценность небольшого количества ничто.
Автор: SLY_G
