Tranzystor z kanałem próżniowym w nanoskali - Nanoscale vacuum-channel transistor
Tranzystor nanoskali próżniowo kanał ( NVCT ) jest tranzystorem , w którym środek transportu elektronów jest próżnia, podobnie jak rurki próżniowej . W tradycyjnym tranzystorze półprzewodnikowym pomiędzy źródłem a drenem znajduje się kanał półprzewodnikowy, przez który przepływa prąd. Jednak w nanoskalowym tranzystorze z kanałem próżniowym między źródłem a drenem nie ma materiału, dlatego prąd przepływa przez próżnię .
Teoretycznie oczekuje się, że tranzystor z kanałem próżniowym będzie działał szybciej niż tradycyjny tranzystor półprzewodnikowy i będzie miał wyższą moc wyjściową. Ponadto oczekuje się, że tranzystory z kanałem próżniowym będą działać w wyższej temperaturze i poziomie promieniowania niż tradycyjne tranzystory, dzięki czemu nadają się do zastosowań kosmicznych.
Rozwój tranzystorów w kanale próżniowym jest wciąż na bardzo wczesnym etapie badań, a w najnowszej literaturze istnieją tylko ograniczone badania, takie jak tranzystor kanału próżniowego z pionowym emiterem pola, elektrody planarne z izolacją bramkową tranzystor kanału próżniowego, pionowy kanał próżniowy tranzystor i tranzystor z wszechstronną bramką z kanałem próżniowym.
Historia
Koncepcja wykorzystania konwencjonalnej wiązki elektronów emitowanych przez pole w diodzie została po raz pierwszy wspomniana w artykule Kennetha Shouldersa z 1961 roku. Jednak ze względu na trudność technologiczną wykonania źródła elektronów z emiterem polowym, takiej diody nie zaimplementowano.
Wraz z rozwojem dziedziny mikroprodukcji stało się możliwe wytwarzanie źródeł elektronów emitowanych przez pole, torując w ten sposób drogę dla tranzystorów w kanałach próżniowych. Pierwsze udane wdrożenie zostało zgłoszone przez Gary et. glin. w 1986 roku. Jednak wczesne tranzystory w kanałach próżniowych cierpiały na wysokie napięcie progowe bramki i nie mogły konkurować z tranzystorami półprzewodnikowymi.
Nowsze postępy w mikroprodukcji pozwoliły na zmniejszenie długości kanału próżniowego między źródłem a drenem, co znacznie zmniejszyło napięcie progowe bramki poniżej 0,5 V, co jest porównywalne z napięciem progowym bramki obecnych tranzystorów półprzewodnikowych.
Ponieważ kurczenie się tranzystorów półprzewodnikowych osiąga teoretyczną granicę, tranzystory z kanałem próżniowym mogą stanowić alternatywę.
Uproszczona obsługa
Tranzystor z kanałem próżniowym w nanoskali jest zasadniczo zminiaturyzowaną wersją lampy próżniowej . Składa się ze źródła elektronów z emiterem pola, elektrody kolektorowej i elektrody bramkowej. Źródło elektronów i elektrody kolektora są oddzielone niewielką odległością, zwykle rzędu kilku nanometrów. Po przyłożeniu napięcia do źródła i elektrody kolektorowej, w wyniku emisji pola , elektrony są emitowane z elektrody źródłowej, przechodzą przez szczelinę i są zbierane przez elektrodę kolektorową. Elektroda bramkowa służy do kontrolowania przepływu prądu przez kanał próżniowy.
Wbrew nazwie tranzystory w kanale próżniowym nie muszą być opróżniane. Szczelina, przez którą przechodzą elektrony, jest tak mała, że zderzenia z cząsteczkami gazu pod ciśnieniem atmosferycznym są na tyle rzadkie, że nie mają znaczenia.
Zalety
Tranzystory próżniowe w nanoskali mają kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi tranzystorami półprzewodnikowymi, takich jak duża prędkość, wysoka moc wyjściowa oraz praca w wysokiej temperaturze i odporność na silne promieniowanie. Zalety tranzystora z kanałem próżniowym nad tranzystorem półprzewodnikowym omówiono szczegółowo poniżej:
Wysoka prędkość
W tranzystorze półprzewodnikowym elektrony zderzają się z siecią półprzewodnikową i cierpią z powodu rozpraszania, które spowalnia prędkość elektronów. W rzeczywistości w krzemie prędkość elektronów jest ograniczona do 1,4×10 7 cm/s. Jednak w próżni elektrony nie ulegają rozproszeniu i mogą osiągać prędkość do 3×10 10 cm/s. Dlatego tranzystor z kanałem próżniowym może działać z większą prędkością niż tranzystor krzemowy półprzewodnikowy.
Praca w wysokiej temperaturze
Pasma wzbronionego w krzem jest 1.11eV, a energia cieplna elektronów powinna pozostać niższa od tej wartości krzemu zachowuje swoje właściwości półprzewodnikowe. Nakłada to ograniczenie na temperaturę roboczą tranzystorów krzemowych. Jednak takie ograniczenie nie istnieje w próżni. Dlatego tranzystor w kanale próżniowym może działać w znacznie wyższej temperaturze, ograniczonej jedynie temperaturą topnienia materiałów użytych do jego produkcji. Tranzystor próżniowy może być używany w aplikacjach, w których wymagana jest tolerancja na wysoką temperaturę.
Odporność na promieniowanie
Promieniowanie może jonizować atomy w tranzystorze półprzewodnikowym. Te zjonizowane atomy i odpowiadające im elektrony mogą zakłócać transport elektronów między źródłem a kolektorem. Jednak w tranzystorach w kanale próżniowym nie zachodzi jonizacja. Dlatego tranzystor z kanałem próżniowym może być używany w środowisku o wysokim natężeniu promieniowania, takim jak przestrzeń kosmiczna lub wewnątrz reaktora jądrowego.
Niekorzyść
Wydajność tranzystora z kanałem próżniowym zależy od emisji polowej elektronów z elektrody źródłowej. Jednak z powodu silnego pola elektrycznego elektrody źródłowe z czasem ulegają degradacji, zmniejszając w ten sposób prąd emisji. Ze względu na degradację elektrody źródłowej elektronów tranzystory z kanałem próżniowym mają niską niezawodność.
Bibliografia
Papier
- Nirantar, Shruti, i in. „Tranzystory metal-powietrze: nanoelektronika kanałów powietrznych z emisją polową bez półprzewodników”. Litery nano (2018).
- MS Tsagarakis, JP Xanthakis „Symulacja tranzystora próżniowego” 2018 31. Międzynarodowa Konferencja Nanoelektroniki Próżniowej (IVNC) DOI: 10.1109/IVNC.2018.8520204