1976年9月，在冷戰(zhàn)中期，一名心懷不滿的蘇聯(lián)飛行員——維克多?伊萬諾維奇?別連科在西伯利亞上空的一次飛行訓(xùn)練中，駕駛著他的米格-25狐蝠式戰(zhàn)斗機偏離了航道，低空快速飛越了日本海，降落在北海道的一座民用機場，降落時剩下的燃料只夠再維持30秒飛行。他的戲劇性倒戈對美國軍事分析家來說是一種恩賜，使他們第一次有機會近距離審視這種高速的蘇聯(lián)戰(zhàn)斗機，他們曾認(rèn)為這種戰(zhàn)斗機是世界上最先進(jìn)的飛機之一。但他們的發(fā)現(xiàn)使他們感到震驚。

首先，該飛機的機身比那些美國的當(dāng)代戰(zhàn)機粗糙，大部分是由鋼制成的，而不是鈦金屬。更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)該飛機的航空電子設(shè)備艙裝滿了基于真空管而非晶體管的設(shè)備。不論先前人們對其懷有何種畏懼心理，顯而易見的是，即使是蘇聯(lián)最尖端的技術(shù)也可笑地落后于西方了。

畢竟，在美國，真空管二十多年前就已經(jīng)讓位給了體積更小、耗電更少的固態(tài)器件了。1947年，威廉?肖克利（WilliamShockley）、約翰?巴?。↗ohn Bardeen）和沃爾特?布拉頓（Walter Brattain）在貝爾實驗室拼湊出第一個晶體管，不久真空管就被淘汰了。到了70年代中期，在西方電子領(lǐng)域能找到的為數(shù)不多的真空管隱藏于某些專業(yè)設(shè)備中——這不包括電視機廣泛使用的顯像管。今天，即使是那些真空管也消失了，除了幾個特殊領(lǐng)域外，真空管已經(jīng)是一種滅絕的技術(shù)了。因此，了解到目前集成電路制造技術(shù)的一些變化可能使真空電子起死回生，人們可能會感到驚訝。

過去的幾年里，在NASA艾姆斯研究中心，我們一直在努力開發(fā)真空通道晶體管。我們的研究還處于早期階段，但我們構(gòu)建的原型顯示，這種新型設(shè)備擁有非凡的潛力。真空通道晶體管比普通硅晶體管快10倍，并最終可能在太赫茲頻率上運行，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何固態(tài)設(shè)備的范圍，而且它們承受熱和輻射的能力也更高。要理解其原因，了解一些關(guān)于老式真空管的制造及運行的情況會有所幫助。

在20世紀(jì)上半葉，擴增無數(shù)收音機和電視機信號的拇指大小的真空管可能跟今天通常令我們目不暇接的數(shù)碼電子產(chǎn)品中的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）看起來一點也不相像。但在許多方面，它們是非常相似的。其一，它們都是三端器件。電壓施加到一個終端——一個簡單三極真空管的和MOSFET的柵極——控制流過另兩個終端的電流：真空管是從陰極到陽極，MOSFET則是從源極到漏極。這種能力使這些器件能夠充當(dāng)放大器，或者，如果有足夠的偏壓，可以充當(dāng)開關(guān)。

但是，真空管中電流的流動與晶體管中電流的流動有很大的區(qū)別。真空管依靠一種叫做熱電子發(fā)射的過程：加熱陰極，使其向周圍的真空釋放出電子。而晶體管中的電流來自于源極和漏極之間的電子（或“空穴”，即缺失電子的空位）在分開它們的固體半導(dǎo)體材料中的漂移和擴散。

為什么真空管在幾十年前就讓位給了固態(tài)電子呢？半導(dǎo)體的優(yōu)點包括成本更低，尺寸更小，壽命更長，效率更高，耐用性、可靠性和一致性更強。盡管半導(dǎo)體有這些優(yōu)點，但當(dāng)純粹作為輸送電荷的介質(zhì)來考慮時，真空管仍優(yōu)于半導(dǎo)體。電子能自由地在真空中傳播，而它們在固態(tài)電子中就會與原子發(fā)生碰撞（這一過程被稱為晶體晶格散射）。更重要的是，真空管不容易產(chǎn)生困擾半導(dǎo)體的那種輻射損傷，并且它比固態(tài)材料產(chǎn)生的噪聲更少、失真更小。

然而，當(dāng)年只需要少數(shù)幾個真空管來運行收音機或電視機時，它的缺點并不那么令人頭痛，但對于更復(fù)雜的電路來說就很麻煩了。例如，1946年的ENIAC計算機使用了17468個真空管，功率為150千瓦，重量超過27噸，占去了近200平方米的樓面空間。而且它總是不停的當(dāng)機，每一兩天就有一個真空管失靈。

晶體管革命終止了這種挫折。但隨之而來的電子領(lǐng)域的巨大變化，與其說是由于半導(dǎo)體的固有優(yōu)點，還不如說是由于工程師獲得了能夠大量生產(chǎn)晶體管，并通過化學(xué)雕刻或蝕刻將晶體管與集成電路相結(jié)合，使其成為擁有適當(dāng)圖案的硅晶片的能力。隨著集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的晶體管可被擠壓到微型芯片上，使電路一代比一代精細(xì)化。而電子產(chǎn)品的運行速度也在不增加成本的前提下變得越來越快。

這一速度優(yōu)勢是由于，隨著晶體管變得更小，電子在源極和漏極之間移動的距離變得越來越短，這使每個晶體管能夠被更迅速地開啟和關(guān)閉。而真空管又大又笨重，必須通過機械加工逐個制造。在多年的改進(jìn)過程中，真空管從未受益于摩爾定律。

但晶體管經(jīng)過40年的瘦身，現(xiàn)在典型的MOSFET柵極絕緣的氧化層只有幾納米厚，源極和漏極之間的距離只有幾十納米。傳統(tǒng)的晶體管真的無法再小了。盡管如此，對于更快、更高效的芯片的追求仍在繼續(xù)。未來的晶體管技術(shù)是什么樣的呢？納米線、碳納米管以及石墨烯都在緊鑼密鼓地開發(fā)。也許，這些方法中的某一種將重塑電子行業(yè)。又或許，它們都會不了了之。

我們一直在努力開發(fā)另一項備選技術(shù)來取代MOSFET，多年來研究人員一直在斷斷續(xù)續(xù)地對其進(jìn)行嘗試：那就是真空通道晶體管。它是傳統(tǒng)的真空管技術(shù)和現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)的聯(lián)姻。

這種奇特的混合技術(shù)融合了真空管和晶體管的最好的方面，并且可以像其他所有固態(tài)設(shè)備一樣實現(xiàn)體積小、價格低的優(yōu)點。的確，使它們的體積變小可以消除真空管眾所周知的缺點。真空管中的電熱絲類似于白熾燈泡中的燈絲，被用來加熱陰極，使其發(fā)射電子。

這就是真空管需要時間來預(yù)熱，并且電力消耗如此大的原因。這也是它們經(jīng)常會燒壞（通常是由于真空管玻璃封套的微小泄漏所致）的原因。但真空通道晶體管不需要電熱絲或熱陰極。如果這種器件被制造得足夠小，則穿過它的電場足以通過一個被稱為場致發(fā)射的過程從源極吸取電子。消除了損耗功率的加熱因素就會降低每個器件在芯片上占用的面積，同樣也使這種新型晶體管具有更高的能效。

真空管的另一個弱點是，它們必須保持高度真空，通常為約千分之一的大氣壓，以避免電子與氣體分子之間的碰撞。在這樣的低氣壓下，電場會使真空管的殘余氣體中產(chǎn)生的正離子加速并轟擊陰極，形成鋒利的、納米級的凸起，這會使其性能下降，并最終造成損毀。

真空電子產(chǎn)品這些長期存在的問題并非是不可克服的。如果陰極和陽極之間的距離小于電子在撞擊到氣體分子前行進(jìn)的平均距離（被稱為平均自由程）會怎樣呢？這樣，你就不必?fù)?dān)心電子與氣體分子之間的碰撞了。例如，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣中電子的平均自由程約為200納米，這對于今天的晶體管來說是相當(dāng)大的。用氦代替空氣，則平均自由程上升至約1微米。這意味著，在氦氣中穿行100納米距離的電子與氣體分子碰撞的概率約為10%。繼續(xù)縮小距離，則碰撞的幾率進(jìn)一步減小。

所以，真空通道晶體管并不復(fù)雜。事實上，它的運作方式比任何在它之前出現(xiàn)的各種晶體管都更簡單。