Исследование элементных схем на основе электронных трубок с вакуумным/воздушным каналом и модуляцией катода

Новый взгляд на старую идею

Электроника питает все — от смартфонов до суперкомпьютеров, — но крошечные переключатели в её основе — транзисторы — приближаются к пределам при уменьшении размеров. В этой работе возвращаются к более старой технологии, вакуумной лампе, и показывают, как её новая, совместимая с микрочипами версия может в будущем обрабатывать сигналы быстрее и выдерживать более жесткие условия, чем современные кремниевые приборы. Авторы представляют переработанную «электронную трубку с вакуумным/воздушным каналом и модуляцией катода», которая работает как транзистор, избегает давней проблемы утечки через затвор и демонстрируется в простых усилительных и логических схемах.

Почему крошечные переключатели требуют переосмысления

Современные интегральные схемы опираются на транзисторы, которые проталкивают электроны через твердые материалы. По мере приближения этих устройств к нанометровым масштабам электроны всё чаще сталкиваются с атомами и дефектами, что ограничивает их скорость. Их верхняя скорость в твердом теле составляет примерно десять миллионов сантиметров в секунду. В отличие от этого, электроны, движущиеся по пустому пространству или по тонкому слою воздуха, теоретически могут двигаться близко к скорости света, примерно в тысячу раз быстрее. Именно поэтому в ранних радиоприёмниках и компьютерах использовались громоздкие вакуумные лампы. Много лет инженеры пытались уменьшить вакуумные приборы до размера микрочипа, надеясь совместить их скорость и прочность с современным производством. Но все предыдущие плоские конструкции вакуумных электронных трубок имели фатальный недостаток: когда затвор пытался управлять потоком электронов, многие электроны попадали в сам затвор, вызывая «утечку через затвор» и препятствуя надежной работе схем.

Более умный способ управления электронами

Команда решает эту проблему с помощью нового принципа работы. Вместо того чтобы размещать затвор прямо в пути электронов, они используют его для регулировки числа электронов, доступных на источнике, то есть на катоде. Их устройство, называемое электронной трубкой с вакуумным/воздушным каналом и модуляцией катода (CMVET), изготовлено на кремний-на-изоляции (SOI) пластине с применением знакомых чиповых процессов: окисления, ионной имплантации, травления и тонкоплёночного осаждения. Тонкий кремниевый слой служит катодом, погребённый проводящий слой под оксидом действует как обратный затвор, а золотой анод парит на расстоянии десятков нанометров над катодом через воздушный или вакуумный зазор. Когда к аноду прикладывается положительное напряжение, интенсивное электрическое поле через узкий зазор вытягивает электроны с поверхности катода. Напряжение на затворе затем настраивает концентрацию электронов в тонком кремниевом катоде: положительное напряжение притягивает электроны к поверхности, усиливая эмиссию, тогда как отрицательное отталкивает их, уменьшая эмиссию. Важно, что каждый испущенный электрон притягивается через зазор к аноду, а не к затвору, поэтому через затвор проходит практически нулевой ток утечки.

Насколько хорошо работает новая трубка

Измерения показывают, что CMVET ведёт себя как управляемый переключатель с высокой производительностью. Устройство демонстрирует отношение тока «включено/выключено» порядка десяти тысяч и достойную способность переводить изменения напряжения затвора в изменения тока (транскондуктивность). В то же время ток утечки через затвор остается ниже триллионной доли ампера, фактически устраняя проблему, мешавшую практическому применению предыдущих конструкций. По сравнению с другими описанными вакуумными или воздушноканальными устройствами, CMVET сочетает более высокий выходной ток с меньшей утечкой через затвор и конкурентоспособным усилением, при этом изготавливается стандартными технологиями интегральных схем. Один компромисс заключается в том, что, как и в классических вакуумных лампах, ток в этом устройстве продолжает расти по мере увеличения напряжения между катодом и анодом; он не входит в хорошо определенную «плоскую» область, то есть устройство не насыщается. Такое поведение влияет на способы его применения в схемах.

Создание рабочих схем на кристалле

Чтобы показать, что CMVET — это не просто лабораторная курьёзность, авторы подключают их в несколько фундаментальных «строительных блоков» схем. Они создают простые усиливающие схемы, включая common-source, дифференциальный и каскадный усилители, и измеряют, как выходные сигналы реагируют на изменение входных при разных нагрузках. В каждом случае выход увеличивается вместе с входом, с коэффициентами усиления до примерно 1.6 в зависимости от схемы и нагрузки, подтверждая способность устройств усиливать аналоговые сигналы. Команда также собирает цифровые логические схемы — вентиль NAND и вентиль NOR — с использованием пар CMVET. При подаче на входы противоположных по фазе прямоугольных сигналов наблюдаются ожидаемые уровни «высоко» и «низко», соответствующие стандартному поведению NAND и NOR. Эти демонстрации указывают на то, что CMVET могут выступать в роли элементов, подобным транзисторам, как для аналоговой, так и для цифровой обработки сигналов, даже при испытаниях при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении.

Что это может означать для будущих чипов

Работа отмечает первый случай успешной интеграции такого вида вакуумной или воздушноканальной электронной трубки в ключевые элементы схемы на кристалле. Хотя устройства всё ещё требуют доработки — особенно чтобы справиться с постоянно растущим током при увеличении напряжения, — ключевой прогресс очевиден: сместив управление с блокировки электронов в полёте на модуляцию их поступления на катоде, CMVET устраняет утечку через затвор, тормозившую предыдущие конструкции. Для широкого читателя главный вывод таков: это исследование вновь открывает путь к миниатюрной вакуумной электронике, потенциально сочетая скорость и стойкость старых вакуумных ламп с плотностью и технологичностью современного кремния. При дальнейшем совершенствовании такие устройства могут лечь в основу новых видов высокоскоростных или устойчивых к радиации интегральных схем.

Цитирование: Ying, W., Lai, Z., Xu, H. et al. Research on unit circuits based on cathode modulated vacuum/air channel electron tube. Microsyst Nanoeng 12, 140 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01234-z

Ключевые слова: вакуумная наноэлектроника, наноразмерная электронная трубка, транзистор с воздушным каналом, высокоскоростные интегральные схемы, усилители и логика CMVET