ナノスケール真空チャネルトランジスタ

ナノスケール真空チャネルトランジスタ（NVCT）は、真空管のように電子輸送媒体が真空であるトランジスタです。従来の固体トランジスタでは、ソースとドレインの間に半導体チャネルが存在し、電流は半導体を流れます。しかし、ナノスケール真空チャネルトランジスタでは、^{[ 1 ]}ソースとドレインの間に物質が存在しないため、電流は真空を流れます。

理論的には、真空チャネルトランジスタは従来の固体トランジスタよりも高速に動作し^{[ 2 ]}、より高い出力とより低い動作電圧を持つことが期待されています^{[ 1 ]。}さらに、真空チャネルトランジスタは従来のトランジスタよりも高い温度と放射線レベルで動作することが期待されており^{[ 2 ]}、宇宙用途に適しています。

真空チャネルトランジスタの開発はまだ非常に初期の研究段階にあり、最近の文献では、垂直電界放出型真空チャネルトランジスタ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ]} 、ゲート絶縁型平面電極真空チャネルトランジスタ、垂直型真空チャネルトランジスタ^{[ 5 ]} 、および全周ゲート型真空チャネルトランジスタ^{[ 6 ]などの限られた研究しか行われていない。}

ダイオードに従来の電界放出電子ビームを使用するという概念は、1961年にケネス・ショルダーズによる論文で初めて言及された。^{[ 7 ]}しかし、電界放出電子源を製造する技術的な難しさのため、そのようなダイオードは実現されなかった。

微細加工の分野が進歩するにつれて、電界放出電子源の製造が可能になり、真空チャネルトランジスタへの道が開かれました。最初の成功例は、1986年にGaryらによって報告されました。^{[ 3 ]}しかし、初期の真空チャネルトランジスタはゲートしきい値電圧が高く、固体トランジスタと競争できませんでした。

最近の微細加工技術の進歩により、ソースとドレイン間の真空チャネルの長さを縮小することが可能になり、ゲートしきい値電圧を0.5V以下に大幅に低減することができました^{[ 1 ] [ 5 ]。}これは、現在の固体トランジスタのゲートしきい値電圧に匹敵します。

固体トランジスタの小型化が理論上の限界に達しつつあるため、^{[ 8 ]}真空チャネルトランジスタが代替案となる可能性がある。

ナノスケール真空チャネルトランジスタは、基本的に真空管を小型化したものです。電界放出型電子源、コレクタ電極、ゲート電極から構成されています。電子源とコレクタ電極は、通常数ナノメートル程度のわずかな距離で隔てられています。電子源とコレクタ電極間に電圧を印加すると、電界放出によって電子が電子源から放出され、ギャップを通過してコレクタ電極に収集されます。ゲート電極は、真空チャネルを流れる電流を制御するために使用されます。

その名称とは裏腹に、真空チャネルトランジスタは真空にする必要がない。電子が通過するギャップが非常に小さいため、大気圧下では気体分子との衝突はごくまれであり、問​​題にならない。

ナノスケール真空チャネルトランジスタは、高速性、高出力、高温動作、強力な放射線に対する耐性など、従来の固体トランジスタに比べて多くの利点があります。真空チャネルトランジスタの固体トランジスタに対する利点については、以下で詳しく説明します。

真空チャネルトランジスタの性能は、ソース電極からの電子の電界放出に依存します。しかし、高電界のため、ソース電極は時間とともに劣化し、放出電流が減少します。^{[ 10 ]}電子ソース電極の劣化により、真空チャネルトランジスタは信頼性が低いという問題があります。^{[ 10 ]}

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