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466963184317c10e6495873a47216994 20世紀前半頁,真空管被用在無數的收音機和電視中,但後來由於電晶體相對於真空管有著消耗電能少、不需要預熱、結實可靠等各種優點。在電子工業中,真空管逐漸被電晶體所取代。在電晶體取代真空管以後,人們開始想辦法壓縮電晶體的體積並把越來越多的電晶體整合到積體電路上。不過由於金屬氧化物半導體場效應管中的氧化層已經很難繼續壓縮,所以電晶體的體積在經過40多年的發展之後還是遇到了瓶頸。


一方面,人們對晶片的要求還是速度越來越快,性能越來越高;另一方面傳統的電晶體的體積確實已經很難做到更小了。這樣的窘境迫使科學家們去探索下一個電晶體技術。奈米線、碳奈米管、石墨烯都已經成為重要的研究方向,但在這些之外,此前被丟進歷史塵埃裡的真空管反而可能會發揮出更大的作用。

根據IEEE的消息,來自NASA艾姆斯研究中心的科學家們正在嘗試打造一種真空通路電晶體(Vacuum-channel transistor)來終結這個瓶頸,而這種新電晶體的特性需要同時用到真空管和電晶體的特性。在聚合起真空管和電晶體的優勢之後,這也就意味著新的真空通路電晶體能做的既小又便宜。

不過,新產品在吸納真空管優勢的同時,所帶來一些真空管與生俱來的缺點也難以避免的。如果要實現當初的目標,自然要先解決掉這些潛在的問題。

在真空管中,電熱絲是普遍存在的。而且由於電熱絲的存在,真空管就需要時間來預熱並且會消耗掉很多電能,如果不幸的話,它還可能燒毀。但是在真空通路電晶體中,只要設備能做到足夠小,科學家就可以透過電場技術達到類似的效果進而不必再使用電熱絲。這樣一來,新的電晶體既可以減少在晶片上佔用的面積又能節約能源。

真空管的另外一個缺點就是為了避免電子和氣體分子之間的碰撞,它必須要維持一個較高的真空環境。不過這個缺點在當下也不是完全沒辦法解決,因為只要科學家們能讓陰極和陽極之間的距離小於電子和大氣分子之間的平均距離就可以很大程度上避免它們之間的碰撞。

當然,如果研究者的最終的希望是輸入商業上可用的產品,那麼人們需要的肯定是能在技術上避免這兩者之間的碰撞,而這個時候就需要借助於電壓了。只要電壓足夠低,電子就沒法獲取足夠的能量來電離氦,這兩者自然就沒法發生化學反應了。所以只要同時滿足「距離」和「電壓」這兩個條件就可以摒棄真空環境的限制,而這兩個條件在科學家看來都不難。

從原理上來看,真空通路電晶體並不是不可實現的,但科研人員表示相對於實際應用來說,這些研究其實還處於初期的階段。不過最近的一系列突破性進展已經讓他們感覺到這項技術極有可能將對電子工業的發展帶來巨大的影響。原型實驗結果表明新電晶體的運行頻率是矽電晶體的10倍以上,這對於那些追求速度的應用來說顯然是一個好消息。

雖然實驗室的理論資料可以給人帶來很大的驚喜,但應用到實際環境中效能應該是要降低的。比如,在實驗室中,研究者用的是10伏電壓,這已經超過諸多現代晶片的使用的電壓範圍。所以如果應用到實際情況中自然要降低電壓,而這就意味著要犧牲性能。

接下來,艾姆斯研究中心的科學家們會嘗試把這種新型的電晶體整合到積體電路中,而目前的這些模型工具並不是完全適用,所以科學家們既要改善相關的模型又要制定出合理的設計規則。這自然也就意味著在真正商業化之前,仍然有很多的工作需要做。不過,科學家們坦言這些並不妨礙最終產品會將電子工業推向一個新高度。(圖片來源:IEEE)

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