Tranzystor z kanałem próżniowym: stara technologia lamp w nanoskali

Zastąpienie w latach 60-tych ubiegłego wieku lamp próżniowych technologiami półprzewodnikowymi umożliwiło szybki rozwój elektroniki. A jednak, doskonalenie technologii wytwarzania podzespołów elektronicznych w nanoskali, może przyczynić się do powrotu elektroniki lampowej. Pierwszym zainteresowanym jest NASA, która widzi dla takich tranzystorów zastosowanie w kosmosie.

Jak ważnym elementem budulcowym dzisiejszej elektroniki jest tranzystor nie trzeba chyba nikomu tłumaczyć. Osoby, dla których elektronika sprowadza się jedynie do nazw produktów, mogą kojarzyć tranzystory z mikroskopijnymi podzespołami, których setki milionów tworzą procesory, a nawet matryce światłoczułe. Jednak kiedyś tranzystory były o wiele większe, a przed nimi królowała technologia lamp próżniowych.

Lampy (wielkości niewielkiej żarówki) nadal są wykorzystywane, na przykład w audiofilskich wzmacniaczach, których konstrukcje nie różnią się zbytnio od tych sprzed kilkudziesięciu lat.

Miała ona swoje zalety, w tym szybkość działania, jednak, potrzeba miniaturyzacji zmusiła nas do jej porzucenia na rzecz tranzystorów. A te okazały się znacznie trwalsze i tańsze w produkcji i co najważniejsze dało się je miniaturyzować.

Jednak miniaturyzacja tranzystorów nie będzie trwała w nieskończoność. Dlatego też badacze poszukują intensywnie technologii, która pozwoli na dalszy postęp w wydajności. Do poszukiwań alternatywnych rozwiązań zmusza również coraz większe otwarcie się ludzkości na eksplorację kosmosu.

Jednostki obliczeniowe stosowane na orbicie muszą być w dużym stopniu odporne na promieniowanie. Wymusza to stosowanie specjalnych wersji procesorów, znacznie mniej skomplikowanych niż te obecne w naszych komputerach.

Superkomputery tranzystorowe IBM wczoraj i dziś. Konsola kontrolna IBM 7090 z lat 60-tych XX wieku i inteligentny Watson z XXI wieku.

Z tego też powodu koncepcję lamp próżniowych postanowili odkopać badacze z Ames Research Center (współpracujący z NASA) z pomocą koreańskiego National Nanofab Center. W innej niż kiedyś postaci, bo w nanoskali. Można powiedzieć, że jest to połączenie zalet tranzystorów i starych lamp próżniowych. 

Skonstruowana przez nich nanolampa jest bardzo szybka (według szacunków może pracować z częstotliwością około 460 GHz), odporna na promieniowanie, a także ma niewielkie rozmiary rzędu ułamka mikrometra. To właśnie ta ostatnia cecha była nieosiągalna przez stare generacje lamp próżniowych.

Oprócz NASA, nową technologią interesuje się również przemysł medyczny, telekomunikacyjny i wojskowy, które pracują nad gigahercowymi technologiami.

Łaziki marsjańskie, podobnie jak i wszystkie sondy kosmiczne, wykorzystują procesory uodpornione na działanie promieniowania w kosmosie. Na zdjęciu trzy generacje - Sojourner, Oportunity/Spirit i najnowszy Curiosity.

Lampa w nanoskali powstaje w wyniku wydrążenia zagłębienia w krzemie domieszkowanym fosforem. Pusta przestrzeń, odpowiednik starej bańki w lampie próżniowej, otoczona jest przez trzy elektrody (źródło, bramkę i dren). Mamy więc konstrukcję podobną jak w tradycyjnym tranzystorze, z tą różnicą, że kanał jest pustą przestrzenią - tranzystor z kanałem próżniowym. Skala wielkości to około 150 nm (odległość źródła i drenu).

Miniaturyzacja ma dodatkową zaletę. Nie jest konieczne wytwarzanie bardzo dobrej próżni, gdyż przy tak niewielkich rozmiarach, elektrony oddziałują w minimalnym stopniu z ośrodkiem w pustej przestrzeni nanolampy.

Tradycyjna lampa próżniowa po włączeniu. Zbudowany z nanolamp procesor z pewnością nie będzie się aż tak spektakularnie prezentował. (foto Shane Gorski/flickr)

Wyeliminowanie etapu wytwarzania elementów próżniowych z nowej technologii stwarza szansę na wykorzystanie nanolamp w dzisiejszej elektronice. Szansę, bo jeszcze wiele elementów wymaga dopracowania. Podstawowym problemem jest zmniejszenie napięcia przy którym taka lampa pracuje. Na razie wynosi ono około 10 V.

Choć to znacznie mniej niż wymagały stare lampy, to nadal za dużo dla obecnych zastosowań. Wystarczy pomyśleć co stałoby się z procesorem, gdyby jego rdzeń potraktować takim napięciem. Zespół pracuje nad obniżeniem napięcia włączania lampy do 1 V.

Niezależnie od powodzenia prac nad nanolampami, widoczne są ewidentne korzyści z rozwoju nanotechnologii. Stwarza ona szanse na powrót starych sprawdzonych rozwiązań, które wcześniej trzeba było zarzucić ze względu na problemy z miniaturyzacją.

Więcej o technologiach w elektronice:

• Samsung wyprodukował pierwszy grafenowy wafel
• Układy elektroniczne budowane przez magnetyczne bakterie
• Disney Research Touché: czujnik zamieni każdą powierzchnię w interfejs dotykowy
• Seagate: dyski twarde HDD o pojemności 60 TB dzięki HAMR
• Dioda LED może chłodzić swoje otoczenie

Źródło: Sciencemag, mcintoshlabs, IBM