纳米技术让电子管死而复生

纳米技术让电子管死而复

生

比晶体管更快、更耐用、更抗辐射

本报讯（记者赵路）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。

那么，电子管真能东山再起吗？Meyyappan

正是这样想的。他说：“我们正在结合最好的真空

技术，以及在过去50 年的集成电路制造中获得

的最佳经验。”