Vacuümbuizen speelden aanvankelijk een centrale rol bij de ontwikkeling van elektronische apparaten. Een paar decennia geleden, echter, onderzoekers begonnen ze te vervangen door halfgeleidertransistors, kleine elektronische componenten die zowel als versterker als schakelaar kunnen worden gebruikt.

Hoewel vacuümbuizen nu zelden worden gebruikt bij de ontwikkeling van elektronica, ze hebben verschillende belangrijke voordelen ten opzichte van transistors. Bijvoorbeeld, ze maken doorgaans een snellere werking mogelijk, betere ruisimmuniteit en grotere stabiliteit in extreme of ruwe omgevingen.

In een recente studie, onderzoekers van het NASA Ames Research Center hebben aangetoond dat vacuümkanaaltransistoren op nanoschaal kunnen worden gefabriceerd op siliciumcarbidewafels. Het fabriceren van dit type transistor op de waferschaal zou uiteindelijk hun wijdverbreide gebruik mogelijk maken, waardoor ze een levensvatbaar alternatief zijn voor solid-state elektronica.

"Off-the-shelf-elektronica heeft weinig nut voor ruimtemissies vanwege de impact van straling, "Meyya Meyyappan, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "Typisch, stralingsafscherming of geavanceerd stralingsbewust circuitontwerp nodig zou zijn, die allemaal duur zijn, tijdrovend en resulteren in hardware die niet state-of-the-art is. We hebben het beste van vacuümfysica en moderne productie van geïntegreerde schakelingen gecombineerd om vacuümtransistors op nanoschaal te produceren om de bovengenoemde tekortkomingen te verhelpen."

Bij het fabriceren van de vacuümkanaaltransistor op nanoschaal, Jinwoo Han, de onderzoeker die verantwoordelijk is voor het ontwerp en de fabricage, volgde een soortgelijk proces als bij het bouwen van conventionele MOSFET's (metaaloxide halfgeleider veldeffecttransistoren). Het enige verschil was dat hij het halfgeleiderkanaal verving, die in MOSFET's tussen de bron en de afvoer wordt geplaatst, met een leeg kanaal.

"In tegenstelling tot onze eerdere werken aan nano-vacuümtransistoren met surroundpoorten van silicium, we hebben de oriëntatie deze keer omgedraaid naar een verticale in plaats van een horizontale transistor, " legde Meyyappan uit. "Omdat het kanaal niets heeft, elektronen kunnen sneller zijn dan in halfgeleiders waar ze verstrooiing met het rooster ervaren, en dus kan de werkfrequentie of snelheid hoger zijn."

De vacuümkanaaltransistor op nanoschaal die door het onderzoek werd gepresenteerd, is gefabriceerd op 150 mm siliciumcarbidewafels. Bij het evalueren van zijn prestaties, de onderzoekers ontdekten dat de aandrijfstroom van hun transistor lineair schalen met het aantal emitters op het bronpad.

Meyyappan en zijn collega's vergeleken de prestaties ook met die van gelijktijdig vervaardigde siliciumvacuümkanaaltransistors. Uit hun tests bleek dat het siliciumcarbide-apparaat aanzienlijk superieure stabiliteit op lange termijn biedt, wat bijzonder gunstig kan zijn voor toepassingen in de ruimte en in andere uitdagende omgevingen.

"We hebben onze sub-100 nm kenmerkende vacuümkanaaltransistoren gefabriceerd in zowel silicium- als siliciumcarbidemateriaalsystemen, Han vertelde TechXplore. "Hun prestaties zijn bemoedigend en de transistors worden niet beïnvloed door straling. De implicatie is dat we onze huidige productie-infrastructuur en bekende materiaalsystemen kunnen gebruiken om ultrakleine vacuümapparaten te maken."

In de toekomst, de bevindingen verzameld door Meyyappan, Han en hun collega's zouden de herintroductie van vacuümkanaaltransistors voor de fabricage van elektronica kunnen bevorderen, vooral voor degenen die zijn ontworpen om in de ruimte te worden gebruikt. In de tussentijd, de onderzoekers zijn van plan om de transistors die ze hebben ontwikkeld te gebruiken om circuits te bouwen, om ze toe te passen en te testen in de praktijk.

© 2019 Wetenschap X Netwerk