Радиолампа в масштабе микронов звучит как шаг назад. На самом деле это обход главной уязвимости полупроводника — его чувствительности к излучению.
В Новосибирском государственном техническом университете собрали работающий прототип транзистора, в котором электроны движутся через миниатюрный вакуумный канал, а не через полупроводник.
Работа ведётся по программе «Приоритет-2030». Заявка на патент подана, прототип с вертикальным вакуумным каналом изготовлен и работает.
Почему вакуум, а не кремний
Разберём физику, потому что без неё идея выглядит возвратом к радиолампам.
В полупроводниковом транзисторе ток идёт через кристаллическую решётку. Пролетающая частица высокой энергии (а в космосе их хватает) выбивает из решётки атомы и порождает паразитные носители заряда. Последствия бывают двух видов. Одиночный сбой: заряд наводит ложный логический уровень, и микросхема выдаёт ошибку или зависает. Накопленная доза: дефекты решётки копятся, параметры прибора уплывают, и в какой-то момент он перестаёт работать совсем.
Именно поэтому космическая электроника отстаёт от бытовой на поколения: радиационно стойкие изделия делают на зрелых нормах, по особым технологиям, малыми сериями и за огромные деньги.
В вакуумном канале решётки нет. Электроны летят через пустоту, и выбивать из неё нечего. Излучение не может ни породить паразитные носители в канале, ни накопить в нём дефекты. То же касается температуры: подвижность носителей в полупроводнике падает с нагревом, у вакуума такой зависимости нет.
Что отличает это от радиолампы
Главное отличие — в размерах и в механизме испускания электронов.
Классическая лампа испускает электроны термоэлектронно: катод разогревается нитью накала до сотен градусов, и электроны получают энергию, достаточную для выхода. Отсюда и прогрев, и потребление, и ограниченный ресурс.
В вакуумных приборах микроэлектронного масштаба расстояние между электродами сокращают до нанометров. При таких зазорах электрону не нужно разгоняться — поле у острия эмиттера становится настолько сильным, что электроны выходят за счёт туннелирования. Накал не требуется.
Среди заявленных преимуществ прототипа — низкое пороговое напряжение и относительно простая конструкция. Числовых значений в сообщении нет.
Для чего это предназначено
Приборы — транзисторы и диоды — разрабатываются для высоких и сверхвысоких частот: радиосвязь и радиолокация. Отдельное направление нацелено на терагерцовый диапазон, там используются вакуумные элементы с наноразмерными зазорами и наноантеннами; эта часть пока в разработке.
Области применения — космическая и оборонная радиоэлектроника, а также аппаратура, которой нужно работать под излучением или другими экстремальными нагрузками.
Чего в сообщении нет
Стоит обратить внимание, что авторами не заявлены такие критерии, как:
- рабочий диапазон температур в градусах;
- стойкость к излучению в единицах поглощённой дозы;
- предельные частоты;
- значение порогового напряжения;
- сравнение с существующими радиационно стойкими изделиями;
- технология изготовления — материалы и состав операций.
Отдельно стоит сказать о главной практической трудности вакуумной микроэлектроники, которая в сообщении не упомянута вовсе: герметизация. Вакуум в канале нужно создать и удержать на весь срок службы прибора, а каждый микрообъём должен оставаться герметичным десятилетиями. Именно на этом спотыкались предыдущие попытки — направление разрабатывается в мире не первое десятилетие, и до массового производства пока не дошло ни у кого.
Прототип с поданной заявкой на патент — это стадия ранняя. Но направление выбрано осмысленно: оно обходит то свойство полупроводника, которое в космосе мешает больше всего, и не требует конкуренции по топологическим нормам.
