(Phys.org) – Även om vakuumrör var de grundläggande komponenterna i tidiga elektroniska enheter, på 1970-talet ersattes de nästan helt av halvledartransistorer. Men under de senaste åren, forskare har utvecklat "vakuumkanaltransistorer i nanoskala" (NVCT) som kombinerar det bästa av vakuumrör och moderna halvledare till en enda enhet.

Jämfört med konventionella transistorer, NVCT:er är snabbare och mer motståndskraftiga mot höga temperaturer och strålning. Dessa fördelar gör NVCT:er till idealiska kandidater för applikationer som strålningstolerant djupt rymdkommunikation, högfrekventa enheter, och THz-elektronik. De är också kandidater för att utvidga Moores lag – som säger att antalet transistorer på ett datorchip fördubblas ungefär vartannat år – vilket förväntas snart drabba en vägspärr på grund av de fysiska begränsningarna hos krympande halvledartransistorer.

Å andra sidan, traditionella vakuumrör har vissa nackdelar jämfört med halvledartransistorer, vilket gjorde att de blev föråldrade. I synnerhet, vakuumrör är mycket stora och drar mycket energi.

Med de nya NVCT:erna, storlek är inte längre ett problem eftersom de nya enheterna tillverkas med moderna halvledartillverkningstekniker, och kan därför göras så liten som några nanometer i diameter. Medan traditionella vakuumrör ser ut som glödlampor, NVCT:er ser mer ut som typiska halvledartransistorer och kan endast ses under ett svepelektronmikroskop.

För att ta itu med den mer akuta frågan om energiförbrukning, i en ny studie forskare Jin-Woo Han, Dong-Il Moon, och M. Meyyappan vid NASA Ames Research Center i Moffett Field, Kalifornien, har konstruerat en kiselbaserad NVCT med en förbättrad grindstruktur som reducerar drivspänningen från tiotals volt till mindre än fem volt, vilket leder till lägre energiförbrukning. Deras arbete publiceras i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

I en NVCT, grinden är den komponent som tar emot drivspänningen och, baserat på denna spänning, den styr flödet av elektroner mellan två elektroder. I kontrast, i de gamla vakuumrören, elektroner frigjordes genom uppvärmning av enhetens emitter. Eftersom elektronerna färdades genom ett vakuum (vakuumgapet), de rörde sig i mycket höga hastigheter, vilket ledde till den snabba operationen.

I NVCT, det finns faktiskt inget vakuum, men i stället reser elektronerna över ett utrymme fyllt med en inert gas som helium vid atmosfärstryck. Eftersom avståndet mellan elektroderna är så litet (så lite som 50 nm), sannolikheten för att en elektron kolliderar med en gasmolekyl är mycket låg, och därför rör sig elektronerna lika snabbt genom detta "kvasivakuum" som de gör i ett verkligt vakuum. Även med vissa kollisioner, gasmolekylerna joniseras inte på grund av den lägre driftspänningen.

Den kanske största fördelen med de nya vakuumtransistorerna är deras förmåga att tolerera höga temperaturer och joniserande strålning, vilket gör dem till lovande kandidater för de hårda miljöer som ofta upplevs av militär- och rymdapplikationer. I den nya studien, forskarna visade experimentellt att NVCT fortsätter att fungera på samma prestandanivå vid temperaturer på upp till 200 °C, medan konventionella transistorer skulle sluta fungera vid denna temperatur. Tester visade också att de nya NVCT:erna är robusta mot gamma- och protonstrålning.

I framtiden, forskarna planerar att ytterligare förbättra prestandan för denna "nygamla" teknik.

"Framtida forskningsplaner inkluderar enhetsmodelleringsarbete på nanoskala, inklusive struktur och materialegenskaper, " berättade Han Phys.org . "Vi planerar också att studera åldringsmekanismer för att förbättra tillförlitligheten och livslängden."

© 2017 Phys.org