纳米技术让电子管死而复生

由于晶体管的发明，电子管在上世纪60年代一蹶不振，但新的研究却可能让这项技术咸鱼翻身。图片来源：Shane Gorski/Creative Commons 如果你曾拆开过一部老式的收音机，便会看到一些像是小灯泡的东西。它们便是电子管（又称真空管）——今天的硅晶体管的前身。电子管在上世纪60年代重蹈了恐龙的覆辙，但是研究人员如今又让它们起死回生，研制出了比晶体管更快、更耐用的纳米级电子管。这种新器件甚至能够在外层空间强烈的辐射下安全使用。在上世纪早期研制出的电子管提供了放大电信号的第一种简便方式。就像电灯泡那样，它们由含有一个加热丝的玻璃灯泡构成。电子管利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。然而由于晶体管的发明，特别是用化学方法蚀刻硅件从而大量生产晶体管技术的问世，电子管在上世纪五六十年代逐渐走向消亡。晶体管更小、更便宜并且更耐用。它们同时能够被塞进微芯片中，并根据不同的复杂输入信号被开启和闭合，从而为更小、更强大的计算机的研制铺平了道路。但是晶体管并非在所有方面都更出色。与真空环境相比，电子在固体中运动得更为缓慢，这也就意味着晶体管通常要慢于电子管；也就是说，计算速度并没有理论上快。此外，半导体更容易受到强辐射的影响，后者能够破坏硅的原子结构，从而使电荷无法正确地运动。这对于军队和航天机构而言可是一个大问题，它们都需要自己的设备能够在辐射强烈的环境中——例如外层空间——正常地工作。美国宇航局（NASA）埃姆斯研究中心的工程师Meyya Meyyappan表示：“你我买的电脑与NASA买的电脑是一样的，但用途却大相径庭。NASA花了很长时间使其能够经受强辐射的考验，否则那些安装在航天飞机或空间站中的电脑基本上将被摧毁进而无法运行。” 新设备是今天的晶体管与古老的电子管的一个杂合体。它既小又容易制造，同时速度快且抗辐射。参与开发“纳米电子管”的Meyyappan指出，它是通过在掺杂着磷的硅上蚀刻小腔洞制造而成。这个腔洞连接着3个电极——一个源极，一个栅极，还有一个漏极。其中源极与漏极仅仅相距150纳米，而栅极则位于顶部。电子由施加的电压从源极释放，而栅极则控制电子穿过腔洞。在5月23日发表于《应用物理学快报》上的这篇论文中，Meyyappan和同事估计，他们的纳米电子管的工作频率高达0.46兆赫——约比现今最好的硅晶体管快10倍。这个新产品并非科学家首次尝试将电子管小型化。然而，与之前的工作不同的是，研究人员并不需要追求完全的真空——源极与漏极的距离是如此之小，以至于电子与空气中的原子发生碰撞的几率随之变得极低。Meyyappan说，这便有一个巨大的好处——它为大批量生产打开了一扇大门。英国伦敦帝国理工学院的电子工程师Kristel Fobelets对此表示赞同。她说：“真空技术在半导体生产线上的应用将使制造成本变得非常高昂。”但她同时警告说，纳米电子管更像是对“概念的证明”，而不是一个工作装置，这是因为它的操作要求并不符合现代晶体管的要求。例如，打开这一装置需要10伏的电压，而现代晶体管的运行只需要约1伏特的电压；在这一方面，纳米电子管与现代电路并不匹配。尽管如此，Meyyappan认为纳米电子管的潜力依然是巨大的。新的电子管固有的对辐射的免疫能力能够为军方和NASA节省许多时间和金钱，而其更快的运行速度使得它成为所谓的兆赫技术的罕有候选者。作为介于微波和红外区域之间的电磁波谱，在兆赫区域能够发现某些分子的“指纹”。例如，这项技术能够用在机场对违禁药物的安检中。

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