(Phys.org)—Hoewel vacuümbuizen de basiscomponenten waren van vroege elektronische apparaten, door de jaren 1970 werden ze bijna volledig vervangen door halfgeleidertransistors. Maar de afgelopen jaren is onderzoekers hebben "vacuümkanaaltransistors op nanoschaal" (NVCT's) ontwikkeld die het beste van vacuümbuizen en moderne halfgeleiders in één apparaat combineren.

In vergelijking met conventionele transistors, NVCT's zijn sneller en beter bestand tegen hoge temperaturen en straling. Deze voordelen maken NVCT's ideale kandidaten voor toepassingen zoals stralingstolerante communicatie in de diepe ruimte, hoogfrequente apparaten, en THz-elektronica. Ze zijn ook kandidaten voor uitbreiding van de wet van Moore - die stelt dat het aantal transistors op een computerchip ongeveer elke twee jaar verdubbelt - die naar verwachting binnenkort een wegversperring zal raken vanwege de fysieke beperkingen van krimpende halfgeleidertransistors.

Anderzijds, traditionele vacuümbuizen hebben bepaalde nadelen in vergelijking met halfgeleidertransistors, waardoor ze verouderd raakten. Opmerkelijk, vacuümbuizen zijn erg groot en verbruiken veel energie.

Met de nieuwe NVCT's, grootte is niet langer een probleem omdat de nieuwe apparaten worden geproduceerd met behulp van moderne halfgeleiderfabricagetechnieken, en kan dus zo klein worden gemaakt als een paar nanometer in doorsnee. Terwijl traditionele vacuümbuizen op gloeilampen lijken, NVCT's lijken meer op typische halfgeleidertransistors en zijn alleen te zien onder een scanning elektronenmicroscoop.

Om de dringendere kwestie van energieverbruik aan te pakken, in een nieuwe studie onderzoekers Jin-Woo Han, Dong Il Maan, en M. Meyyappan bij het NASA Ames Research Center in Moffett Field, Californië, hebben een op silicium gebaseerde NVCT ontworpen met een verbeterde poortstructuur die de stuurspanning verlaagt van tientallen volt tot minder dan vijf volt, wat resulteert in een lager energieverbruik. Hun werk is gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

In een NVCT, de poort is het onderdeel dat de aandrijfspanning ontvangt en, op basis van deze spanning, het regelt de stroom van elektronen tussen twee elektroden. In tegenstelling tot, in de oude vacuümbuizen, elektronen kwamen vrij door de emitter van het apparaat te verwarmen. Omdat de elektronen door een vacuüm reisden (de vacuümspleet), ze bewogen met zeer hoge snelheden, wat leidde tot de snelle operatie.

Bij NVCT's, er is niet echt een vacuüm, maar in plaats daarvan reizen de elektronen bij atmosferische druk door een ruimte gevuld met een inert gas zoals helium. Omdat de afstand tussen de elektroden zo klein is (slechts 50 nm), de kans dat een elektron in botsing komt met een gasmolecuul is erg klein, en dus bewegen de elektronen net zo snel door dit "quasi-vacuüm" als in een echt vacuüm. Zelfs met enkele botsingen, door de lagere bedrijfsspanning worden de gasmoleculen niet geïoniseerd.

Misschien wel het grootste voordeel van de nieuwe vacuümtransistors is hun vermogen om hoge temperaturen en ioniserende straling te verdragen, waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor de ruwe omgevingen die vaak worden ervaren door militaire en ruimtevaarttoepassingen. In de nieuwe studie de onderzoekers hebben experimenteel aangetoond dat de NVCT's op hetzelfde prestatieniveau blijven werken bij temperaturen tot 200 °C, terwijl conventionele transistors bij deze temperatuur niet meer zouden werken. Tests toonden ook aan dat de nieuwe NVCT's robuust zijn tegen gamma- en protonstraling.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de prestaties van deze "nieuwe oude" technologie verder te verbeteren.

"Toekomstige onderzoeksplannen omvatten het modelleren van apparaten op nanoschaal, inclusief structuur en materiaaleigenschappen, "Han vertelde" Phys.org . "We zijn ook van plan om verouderingsmechanismen te bestuderen om de betrouwbaarheid en levensduur te verbeteren."

© 2017 Fys.org