20世纪就被淘汰的真空管，现在要闹革命？

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在美国，真空管二十多年前就已经让位给了体积更小、耗电更少的固态器件，1947年，威廉?肖克利（WilliamShockley）、约翰?巴丁（John Bardeen）和沃尔特?布拉顿（Walter Brattain）在贝尔实验室拼凑出第一个晶体管，不久真空管就被淘汰了。到了70年代中期，在西方电子领域能找到的为数不多的真空管隐藏于某些专业设备中——这不包括电视机广泛使用的显像管。今天，即使是那些真空管也消失了，除了几个特殊领域外，真空管已经是一种灭绝的技术了。因此，了解到目前集成电路制造技术的一些变化可能使真空电子起死回生，人们可能会感到惊讶。

过去的几年里，在NASA艾姆斯研究中心，我们一直在努力开发真空通道晶体管。我们的研究还处于早期阶段，但我们构建的原型显示，这种新型设备拥有非凡的潜力。真空通道晶体管比普通硅晶体管快10倍，并最终可能在太赫兹频率上运行，这远远超出了任何固态设备的范围，而且它们承受热和辐射的能力也更高。要理解其原因，了解一些关于老式真空管的制造及运行的情况会有所帮助。

在20世纪上半叶，扩增无数收音机和电视机信号的拇指大小的真空管可能跟今天通常令我们目不暇接的数码电子产品中的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）看起来一点也不相像。但在许多方面，它们是非常相似的。其一，它们都是三端器件。电压施加到一个终端——一个简单三极真空管的和MOSFET的栅极——控制流过另两个终端的电流：真空管是从阴极到阳极，MOSFET则是从源极到漏极。这种能力使这些器件能够充当放大器，或者，如果有足够的偏压，可以充当开关。

但是，真空管中电流的流动与晶体管中电流的流动有很大的区别。真空管依靠一种叫做热电子发射的过程：加热阴极，使其向周围的真空释放出电子。而晶体管中的电流来自于源极和漏极之间的电子（或“空穴”，即缺失电子的空位）在分开它们的固体半导体材料中的漂移和扩散。

为什么真空管在几十年前就让位给了固态电子呢？半导体的优点包括成本更低，尺寸更小，寿命更长，效率更高，耐用性、可靠性和一致性更强。尽管半导体有这些优点，但当纯粹作为输送电荷的介质来考虑时，真空管仍优于半导体。电子能自由地在真空中传播，而它们在固态电子中就会与原子发生碰撞（这一过程被称为晶体晶格散射）。更重要的是，真空管不容易产生困扰半导体的那种辐射损伤，并且它比固态材料产生的噪声更少、失真更小。

然而，当年只需要少数几个真空管来运行收音机或电视机时，它的缺点并不那么令人头痛，但对于更复杂的电路来说就很麻烦了。例如，1946年的ENIAC计算机使用了17468个真空管，功率为150千瓦，重量超过27吨，占去了近200平方米的楼面空间。而且它总是不停的当机，每一两天就有一个真空管失灵。

晶体管革命终止了这种挫折。但随之而来的电子领域的巨大变化，与其说是由于半导体的固有优点，还不如说是由于工程师获得了能够大量生产晶体管，并通过化学雕刻或蚀刻将晶体管与集成电路相结合，使其成为拥有适当图案的硅晶片的能力。随着集成电路制造技术的进步，越来越多的晶体管可被挤压到微型芯片上，使电路一代比一代精细化。而电子产品的运行速度也在不增加成本的前提下变得越来越快。

这一速度优势是由于，随着晶体管变得更小，电子在源极和漏极之间移动的距离变得越来越短，这使每个晶体管能够被更迅速地开启和关闭。而真空管又大又笨重，必须通过机械加工逐个制造。在多年的改进过程中，真空管从未受益于摩尔定律。

但晶体管经过40年的瘦身，现在典型的MOSFET栅极绝缘的氧化层只有几纳米厚，源极和漏极之间的距离只有几十纳米。传统的晶体管真的无法再小了。尽管如此，对于更快、更高效的芯片的追求仍在继续。未来的晶体管技术是什么样的呢？纳米线、碳纳米管以及石墨烯都在紧锣密鼓地开发。也许，这些方法中的某一种将重塑电子行业。又或许，它们都会不了了之。

我们一直在努力开发另一项备选技术来取代MOSFET，多年来研究人员一直在断断续续地对其进行尝试：那就是真空通道晶体管。它是传统的真空管技术和现代半导体制造技术的联姻。这种奇特的混合技术融合了真空管和晶体管的最好的方面，并且可以像其他所有固态设备一样实现体积小、价格低的优点。的确，使它们的体积变小可以消除真空管众所周知的缺点。真空管中的电热丝类似于白炽灯泡中的灯丝，被用来加热阴极，使其发射电子。这就是真空管需要时间来预热，并且电力消耗如此大的原因。这也是它们经常会烧坏（通常是由于真空管玻璃封套的微小泄漏所致）的原因。但真空通道晶体管不需要电热丝或热阴极。如果这种器件被制造得足够小，则穿过它的电场足以通过一个被称为场致发射的过程从源极吸取电子。消除了损耗功率的加热因素就会降低每个器件在芯片上占用的面积，同样也使这种新型晶体管具有更高的能效。

真空管的另一个弱点是，它们必须保持高度真空，通常为约千分之一的大气压，以避免电子与气体分子之间的碰撞。在这样的低气压下，电场会使真空管的残余气体中产生的正离子加速并轰击阴极，形成锋利的、纳米级的凸起，这会使其性能下降，并最终造成损毁。

真空电子产品这些长期存在的问题并非是不可克服的。如果阴极和阳极之间的距离小于电子在撞击到气体分子前行进的平均距离（被称为平均自由程）会怎样呢？这样，你就不必担心电子与气体分子之间的碰撞了。例如，在标准大气压下，空气中电子的平均自由程约为200纳米，这对于今天的晶体管来说是相当大的。用氦代替空气，则平均自由程上升至约1微米。这意味着，在氦气中穿行100纳米距离的电子与气体分子碰撞的概率约为10%。继续缩小距离，则碰撞的几率进一步减小。

但是，即使碰撞的概率很低，许多电子仍然会与气体分子发生碰撞。如果碰撞把气体分子中被束缚的电子撞出来，那么气体分子就会成为带正电荷的离子，这意味着电场将使它飞向阴极。在所有这些正离子的轰击下，阴极的性能就会下降。所以，必须尽可能避免这种情况发生。

幸运的是，如果保持低电压，电子将永远不会获得足够的能量使氦发生电离。因此，如果真空晶体管的尺寸比电子的平均自由程小得多（这并不难实现），并且工作电压足够低（这也不难），器件就可以在标准大气压下正常工作。也就是说，其实，对于名义上的微型“真空”电子器件，完全不需要保持任何形式的真空！

但如何开关这种新型晶体管呢？对于三极真空管，可以通过改变施加在栅极（位于阴极和阳极之间的一个网状电极)上的电压控制通过它的电流。将栅极放置在靠近阴极的地方会增强栅极的静电控制，尽管距离过近可能会增加流入栅极的电流。在理想情况下，不会有电流流入栅极，因为这会浪费能量，甚至会导致真空管发生故障。但在实践中，总会有一点栅极电流。

为了避免这种问题，与在普通的MOSFET中一样，我们在真空通道晶体管中控制电流，利用具有绝缘介电材料（二氧化硅）的栅电极，使之与电流通道分离。电介质绝缘体将电场转移到需要它的地方，同时防止电流流入栅极。

所以，真空通道晶体管并不复杂。事实上，它的运作方式比任何在它之前出现的各种晶体管都更简单。

尽管我们仍处于研究的早期阶段，但我们相信，在真空通道晶体管领域取得的最新进展最终会对电子行业产生巨大的影响，特别是对于那些速度至上的应用。我们利用最初制造出的原型生产出了能够在460千兆赫下工作的器件——这大约是硅晶体管能够达到的最高频率的10倍。这使真空通道晶体管能在被称为“太赫兹空隙”的区间（即微波以上、红外线以下的电磁光谱区间）内工作，且潜力巨大。

这些约0.1至10太赫兹的频率，可用于检测有害物质、进行安全高速通信等应用。但太赫兹波很难加以利用，因为传统的半导体不能够产生或探测出这种辐射。而真空晶体管或许可以填补这一空白。这些晶体管将来也可能被用于未来的微处理器，其制造方法与传统的CMOS制造完全兼容。但在此之前，还有一些问题需要解决。

我们的原型真空晶体管是在10伏的电压下工作的，这要比现代的CMOS芯片使用的电压高一个数量级。但美国匹兹堡大学的研究人员已经能够制造出在仅有1到2伏的电压下工作的真空晶体管了，尽管他们在设计的灵活性方面作了大量妥协。我们相信，通过缩小阴极和阳极之间的距离，可以将真空晶体管的电压要求降低到类似的水平。另外，这些电极的尖锐程度决定了它们对电场的增强程度，并且阴极材料的组成决定了从电场中提取电子所需的电场大小。因此，通过设计出更尖锐的电极或更利于降低电子从阴极逸出的门槛的化学合成物，我们还可能降低所需的电压。这无疑将是一个权衡之举，因为为降低工作电压而作出的改变可能会损害电极的长期稳定性，从而影响晶体管的寿命。

下一个重要步骤是，将真空通道晶体管大量应用到集成电路中。为此，我们应该利用许多为构建CMOS集成电路开发的现有计算机辅助设计工具和仿真软件。但是，在迈出这一步之前，需要为这种新型晶体管完善计算机模型，并制定出合适的设计规则，以便将大量的此类晶体管连接起来。并且，我们必须为这些标准大气压的充氦器件制定出适当的包装方法。可能性最大的是，目前用于包装各种微机电传感器（例如加速度计和陀螺仪）的技术无须过多修改就可以应用到真空通道晶体管上。

诚然，在实现产品商用之前，我们还有大量的工作有待完成。但是，当最终完成时，这种新一代真空电子产品一定会拥有一些令人惊讶的能力。期待吧！否则，你可能最终会像那些1976年在日本审视苏联米格-25的军事分析家一样——后来他们意识到，基于真空器件的航空电子设备可以比当时任何西方的飞机都更好地抵御核爆炸的电磁脉冲。直到那时，他们才开始体会到一点真空的价值。