真空通道晶體管

真空通道晶體管（英語：Vacuum-channel transistor）是一種使用真空管原理的晶體管^[1]。在傳統的固態晶體管中，半導體溝道存在於源極和漏極之間，並且電流流過半導體。然而，在真空溝道晶體管中，在源極和漏極之間不存在任何材料，因此，電流流過真空。

概要

在集成電路中使用的常規場效應晶體管中，由於隨着小型化的進行柵絕緣膜的變薄，漏電流（英語：Leakage (electronics)）相對增加。此外，由於硅的電子遷移率的限制，加速也受到限制。當在外太空中使用時，還存在抗輻射的問題。為了解決這些問題已經進行了各種研究和開發，其中之一是真空溝道晶體管，它利用了真空管的原理^[1]。

歴史

使真空管小型化的概念並不是什麼新鮮事物，並且是在1960年代半導體製造技術發展時提出的，但是那時製造技術仍然不足，無法實現。在1980年代，曾報道過一個實際工作的真空通道晶體管的案例，但是由於當時的微製造技術無法縮小源極和漏極之間的距離，因此柵極的閾值電壓很高，因此無法投入實際使用^[2]^[3] 。此後，微細加工技術的進步使得減小源極和漏極之間的距離成為可能，並且在2012年，閾值電壓降至0.5V，與半導體處於同一水平^[4] 。

結構

在傳統的場效應晶體管中，在源極和漏極之間存在半導體，電流流過它，但是在真空溝道晶體管中，在源極和漏極之間形成150納米的真空間隙，因此柵極之間沒有物理接觸電子流。在常規的真空管中，加熱陰極以發射熱電子，但是由於小型化，僅通過將其置於靜電場中就可以發射電子，並且不需要加熱^[5]。另外，已經提出了幾種類型的真空溝道晶體管。

特點

由於它具有比硅晶體管更高的電子遷移率，因此可以高速開關，並有望作為太赫茲頻帶中的高頻器件^[5]。它可以在高溫下操作並且耐輻射，但是其源電極會隨着操作而變質，從而導致可靠性差。

缺點

真空通道晶體管的性能取決於來自源電極的電子的場發射。然而，由於高電場，源電極隨着時間而退化，從而減小了發射電流。由於電子源電極的退化，真空通道晶體管的可靠性較差^[6]。

參見

參考資料

^ ^1.0 ^1.1 Introducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing. IEEE Spectrum. 2014-06-23 [2021-12-09]. （原始內容存檔於2021-12-09）（英語）.
^ Greene, R.; Gray, H.; Campisi, G. Vacuum integrated circuits. 1985 International Electron Devices Meeting. 1985-12: 172–175 [2021-12-09]. doi:10.1109/IEDM.1985.190922. （原始內容存檔於2021-12-09）.
^ Gray, H.F.; Campisi, G.J.; Greene, R.F. A vacuum field effect transistor using silicon field emitter arrays. 1986 International Electron Devices Meeting. 1986-12: 776–779 [2021-12-09]. doi:10.1109/IEDM.1986.191310. （原始內容存檔於2021-12-09）.
^ Srisonphan, Siwapon; Jung, Yun Suk; Kim, Hong Koo. Metal–oxide–semiconductor field-effect transistor with a vacuum channel. Nature Nanotechnology. 2012-08, 7 (8): 504–508 [2021-12-09]. ISSN 1748-3387. doi:10.1038/nnano.2012.107. （原始內容存檔於2021-12-09）（英語）.
^ ^5.0 ^5.1 半導体に取って代わられた真空管に復権の兆し、超高速のモバイル通信＆CPU実現の切り札となり得るわけとは？. GIGAZINE. 2014-06-26 [2021-12-09]. （原始內容存檔於2020-10-09）（日語）.
^ Han, Jin-Woo; Sub Oh, Jae; Meyyappan, M. Vacuum nanoelectronics: Back to the future?—Gate insulated nanoscale vacuum channel transistor. Applied Physics Letters. 2012-05-21, 100 (21): 213505 [2021-12-09]. Bibcode:2012ApPhL.100u3505H. ISSN 0003-6951. doi:10.1063/1.4717751. （原始內容存檔於2017-12-11）（英語）.

參考文獻

Stoner, Brian R.; Glass, Jeffrey T. Nothing is like a vacuum. Nature Nanotechnology. 2012-08, 7 (8): 485–487 [2021-12-09]. ISSN 1748-3395. doi:10.1038/nnano.2012.130. （原始內容存檔於2021-12-09）（英語）.
Park, In Jun; Jeon, Seok-Gy; Shin, Changhwan. A New Slit-Type Vacuum-Channel Transistor. IEEE Transactions on Electron Devices. 2014-12, 61 (12): 4186–4191 [2021-12-09]. ISSN 0018-9383. doi:10.1109/TED.2014.2361912. （原始內容存檔於2021-12-09）.
美國專利第5,012,153號
美國專利第4,827,177號

延伸閱讀

Return of the Vacuum Tube | Science | AAAS （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
Solution for next generation nanochips comes out of thin air （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

外部連結

[IEEE_article-1] 1.0 ^1.1 Introducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing. IEEE Spectrum. 2014-06-23 [2021-12-09]. （原始內容存檔於2021-12-09）（英語）.

[2] Greene, R.; Gray, H.; Campisi, G. Vacuum integrated circuits. 1985 International Electron Devices Meeting. 1985-12: 172–175 [2021-12-09]. doi:10.1109/IEDM.1985.190922. （原始內容存檔於2021-12-09）.

[3] Gray, H.F.; Campisi, G.J.; Greene, R.F. A vacuum field effect transistor using silicon field emitter arrays. 1986 International Electron Devices Meeting. 1986-12: 776–779 [2021-12-09]. doi:10.1109/IEDM.1986.191310. （原始內容存檔於2021-12-09）.

[4] Srisonphan, Siwapon; Jung, Yun Suk; Kim, Hong Koo. Metal–oxide–semiconductor field-effect transistor with a vacuum channel. Nature Nanotechnology. 2012-08, 7 (8): 504–508 [2021-12-09]. ISSN 1748-3387. doi:10.1038/nnano.2012.107. （原始內容存檔於2021-12-09）（英語）.

[gigazine-5] 5.0 ^5.1 半導体に取って代わられた真空管に復権の兆し、超高速のモバイル通信＆CPU実現の切り札となり得るわけとは？. GIGAZINE. 2014-06-26 [2021-12-09]. （原始內容存檔於2020-10-09）（日語）.

[6] Han, Jin-Woo; Sub Oh, Jae; Meyyappan, M. Vacuum nanoelectronics: Back to the future?—Gate insulated nanoscale vacuum channel transistor. Applied Physics Letters. 2012-05-21, 100 (21): 213505 [2021-12-09]. Bibcode:2012ApPhL.100u3505H. ISSN 0003-6951. doi:10.1063/1.4717751. （原始內容存檔於2017-12-11）（英語）.

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