WikiDer > Наноразмерный транзистор с вакуумным каналом

Nanoscale vacuum-channel transistor

А наноразмерный транзистор с вакуумным каналом (NVCT) это транзистор в котором транспортной средой электронов является вакуум. В традиционном твердотельном транзисторе полупроводник канал существует между истоком и стоком, и ток течет через полупроводник. Однако в наноразмерном транзисторе с вакуумным каналом нет материала между истоком и стоком, и поэтому ток течет через вакуум.

Теоретически ожидается, что транзистор с вакуумным каналом будет работать быстрее, чем традиционный твердотельный транзистор.[1] и имеют более высокую выходную мощность.[1] Кроме того, ожидается, что транзисторы с вакуумным каналом будут работать при более высоких температурах и уровне излучения, чем традиционные транзисторы.[1] что делает их пригодными для использования в космосе.

Разработка транзисторов с вакуумным каналом все еще находится на очень ранней стадии исследований, и в недавней литературе есть лишь ограниченные исследования, такие как вертикальные полевые эмиттерные транзисторы с вакуумным каналом.[2][3], плоские электроды с изолированным затвором, вакуумно-канальный транзистор[4][5], вертикальный вакуумно-канальный транзистор,[6] и транзистор с вакуумным каналом с универсальным затвором[7].

История

Идея использования в диоде обычного электронного пучка, испускаемого полем, была впервые упомянута в статье Кеннета Шоулдерса 1961 года.[8] Однако из-за технологической сложности изготовления источника электронов с полевым эмиттером такой диод не был реализован.

По мере развития области микротехнологии стало возможным изготавливать источники электронов с полевой эмиссией, тем самым открывая путь для транзисторов с вакуумным каналом. О первой успешной реализации сообщил Gary et. al. в 1986 г.[2] Однако ранние транзисторы с вакуумным каналом страдали от высокого затвора. пороговое напряжение и не мог конкурировать с твердотельными транзисторами.

Более поздние достижения в микротехнологии позволили уменьшить длину вакуумного канала между истоком и стоком, тем самым значительно снизив пороговое напряжение затвора ниже 0,5 В.[5][6], что сопоставимо с пороговым напряжением затвора текущих твердотельных транзисторов.

Поскольку усадка твердотельных транзисторов приближается к своему теоретическому пределу,[9] транзисторы с вакуумным каналом могут предложить альтернативу.

Упрощенная операция

Наноразмерный транзистор с вакуумным каналом - это, по сути, миниатюрная версия вакуумная труба. Он состоит из источника электронов с полевым эмиттером, коллекторного электрода и электрода затвора. Источник электронов и коллекторные электроды разделены небольшим расстоянием, обычно порядка нескольких нанометров. Когда на источник и коллекторный электрод подается напряжение из-за автоэмиссия, электроны вылетают из электрода истока, проходят через зазор и собираются коллекторным электродом. Электрод затвора используется для управления током, протекающим через вакуумный канал.

Несмотря на название, вакуумные транзисторы не нуждаются в вакуумировании. Зазор, который проходят электроны, настолько мал, что столкновения с молекулами газа при атмосферном давлении достаточно редки, чтобы не иметь значения.

Преимущества

Наноразмерные транзисторы с вакуумным каналом обладают рядом преимуществ перед традиционными твердотельными транзисторами, такими как высокая скорость, высокая выходная мощность, работа при высоких температурах и невосприимчивость к сильным излучениям. Преимущества транзистора с вакуумным каналом по сравнению с твердотельным транзистором подробно обсуждаются ниже:

Высокоскоростной

В твердотельном транзисторе электроны сталкиваются с решеткой полупроводника и страдают от рассеяния, которое замедляет скорость электронов. Фактически, в кремнии скорость электронов ограничена 1,4 × 107 см / с.[10] Однако в вакууме электроны не страдают от рассеяния и могут достигать скорости до 3 × 1010 см / с. Следовательно, транзистор с вакуумным каналом может работать с большей скоростью, чем кремниевый твердотельный транзистор.

Работа при высокой температуре

В запрещенная зона из кремний составляет 1,11 эВ, а тепловая энергия электронов должно оставаться ниже этого значения, чтобы кремний сохранил свои полупроводниковые свойства. Это накладывает ограничение на рабочую температуру кремниевых транзисторов. Однако в вакууме такого ограничения нет. Следовательно, транзистор с вакуумным каналом может работать при гораздо более высокой температуре, которая ограничивается только температурой плавления материалов, используемых для его изготовления. Вакуумный транзистор может использоваться в приложениях, где требуется устойчивость к высоким температурам.

Невосприимчивость 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 ионизации не происходит. Следовательно, транзистор с вакуумным каналом может использоваться в среде с высоким уровнем излучения, например в космическом пространстве или внутри ядерного реактора.

Недостаток

Характеристики транзистора с вакуумным каналом зависят от автоэмиссии электронов от электрода истока. Однако из-за высокого электрического поля электроды истока со временем деградируют, тем самым уменьшая ток эмиссии.[4] Из-за деградации электрода источника электронов транзисторы с вакуумным каналом имеют низкую надежность.[4]

Рекомендации

  1. ^ а б c Greene, R .; Серый, H .; Кампизи, Г. (1985). «Вакуумные интегральные схемы». 1985 Международная конференция по электронным устройствам. 31: 172–175. Дои:10.1109 / IEDM.1985.190922. S2CID 11778656.
  2. ^ а б Gray, H.F .; Campisi, G.J .; Грин, Р. Ф. (1986). "Вакуумный полевой транзистор с использованием кремниевых решеток полевого эмиттера". 1986 Международное совещание по электронным устройствам. 32: 776–779. Дои:10.1109 / IEDM.1986.191310. S2CID 26572635.
  3. ^ Campisi, G.J .; Грей, Х. Ф. (1 января 1986 г.). "Микроэмиссия устройств для вакуумных интегральных схем с использованием ориентационно-зависимого травления". Архив онлайн-материалов MRS. 76. Дои:10.1557 / PROC-76-67. ISSN 1946-4274.
  4. ^ а б c Хан, Джин Ву (21.05.2012). "Вакуумная наноэлектроника: назад в будущее? - наноразмерный транзистор с вакуумным каналом с изолированным затвором". Письма по прикладной физике. 100 (21): 213505. Bibcode:2012АпФЛ.100у3505Н. Дои:10.1063/1.4717751. ISSN 0003-6951.
  5. ^ а б Nguyen, H .; Kang, J .; Li, M .; Ху, Ю. (2019). «Высокоэффективная автоэмиссия на основе наноструктурированного селенида олова для наноразмерных вакуумных транзисторов». Наномасштаб. 11 (7): 3129–3137. Дои:10.1039 / C8NR07912A. PMID 30706919.
  6. ^ а б Srisonphan, Siwapon; Юнг, Юн Сок; Ким, Хонг Ку (2012). «Полевой транзистор металл – оксид – полупроводник с вакуумным каналом». Природа Нанотехнологии. 7 (8): 504–508. Bibcode:2012НатНа ... 7..504С. Дои:10.1038 / nnano.2012.107. PMID 22751220.
  7. ^ Хан, Джин Ву; Мун, Донг-Ир; Мейяппан, М. (2017-04-12). «Наноразмерный вакуумный канальный транзистор». Нано буквы. 17 (4): 2146–2151. Bibcode:2017NanoL..17.2146H. Дои:10.1021 / acs.nanolett.6b04363. ISSN 1530-6984. PMID 28334531. S2CID 439350.
  8. ^ Плечи, Кеннет Р. (1961). Микроэлектроника с использованием методов обработки с активацией электронным лучом * - ScienceDirect. Достижения в области компьютеров. 2. С. 135–293. Дои:10.1016 / S0065-2458 (08) 60142-4. ISBN 9780120121021.
  9. ^ Уолдроп, М. Митчелл (11 февраля 2016 г.). «Фишки упали по закону Мура». Природа. 530 (7589): 144–147. Bibcode:2016 Натур.530..144Вт. Дои:10.1038 / 530144a. PMID 26863965.
  10. ^ Зе, С. М. (1981). Физика полупроводниковых приборов. США: Джон Вили и сыновья. стр.46. ISBN 978-0-471-05661-4.

Бумага

  • Нирантар, Шрути и др. «Металл-воздушные транзисторы: бесполупроводниковая автоэмиссионная наноэлектроника с воздушными каналами». Нано-буквы (2018).
  • М.С. Цагаракис, JP Xanthakis «Моделирование вакуумного транзистора» 2018 31-я Международная конференция по вакуумной наноэлектронике (IVNC) DOI: 10.1109 / IVNC.2018.8520204

дальнейшее чтение