真空管の返却|物理

アンティークのラジオの中をのぞいてみると、小さな電球のようなものが見つかります。それらは実際には真空管であり、シリコントランジスタの前身です。真空管は 1960 年代に恐竜に取って代わられましたが、研究者は現在、トランジスタよりも高速で頑丈なナノサイズのバージョンを作成して復活させました。宇宙空間の過酷な放射線にも耐えることができます。

前世紀初頭に開発された真空管は、電気信号を増幅する最初の簡単な方法を提供しました。電球と同様に、加熱されたフィラメントを含むガラス球です。しかし、フィラメントの上には 2 つの追加の電極があります。金属グリッドと、電球の上部にある正に帯電したプレートです。加熱されたフィラメントは安定した電子の流れを放出し、プレートの正電荷に引き寄せられます。電子の流れの速度は、介在するグリッドの電荷によって制御できます。これは、グリッドに印加される小さな電気信号 (蓄音機の小さな出力など) が、フィラメントからプレートへのはるかに強い電子の流れで再現されることを意味します。その結果、信号は増幅され、ラウドスピーカーに送信されます。

真空管は、1950 年代から 60 年代にかけて、トランジスタの発明のおかげでゆっくりと死にました。具体的には、シリコン片を化学的に彫刻またはエッチングすることでトランジスタを大量生産できるようになりました。トランジスタはより小さく、より安価で、より長持ちしました。また、マイクロチップに詰め込んで、さまざまな複雑な入力に応じてオンとオフを切り替え、より小型でより強力なコンピューターへの道を開くこともできます。

しかし、トランジスタはすべての点で優れていたわけではありません。電子は真空よりも固体内でゆっくりと移動します。つまり、トランジスタは一般に真空管よりも遅くなります。その結果、コンピューティングは可能な限り高速ではありません。さらに、半導体は強い放射線の影響を受けやすく、シリコンの原子構造を破壊して電荷が適切に移動できなくなる可能性があります。これは、宇宙空間などの放射線の厳しい環境で機能する技術を必要とする軍と NASA にとって大きな問題です。

カリフォルニア州モフェットフィールドにある NASA エイムズ研究センターのエンジニアである Meyya Meyyappan は、次のように述べています。「耐放射線には数年かかります。そうしないと、スペースシャトルや宇宙ステーションに搭載されたコンピューターが壊れて機能しなくなります。」

新しいデバイスは、今日のトランジスタと往年の真空管のクロスです。小型で簡単に製造できますが、高速で耐放射線性もあります。「ナノ真空管」を共同開発した Meyyappan は、リンをドープしたシリコンに小さな空洞をエッチングすることによって作成されたと言います。空洞は、ソース、ゲート、ドレインの 3 つの電極に囲まれています。ソースとドレインはわずか 150 ナノメートル離れており、ゲートはその上にあります。ソースとドレイン間に印加された電圧によって電子がソースから放出され、ゲートはキャビティを横切る電子の流れを制御します。今日 Applied Physics Letters でオンラインで公開された彼らの論文で、Meyyappan らは、ナノ真空管が最大 0.46 テラヘルツの周波数で動作すると推定しています。これは、最高のシリコントランジスタよりも約 10 倍高速です。

チームのデバイスは、真空管を小型化する最初の試みではありません。ただし、以前の研究とは対照的に、研究者は「適切な」真空を作成する必要はありません。ソースとドレインの分離が非常に小さいため、電子が空気中の原子と衝突する可能性はほとんどありません。 Meyyappan 氏は、大量生産への扉が開かれるので、これは大きなメリットだと言います。

インペリアル・カレッジ・ロンドンの電子技術者、クリステル・フォベレッツ氏も同意見だ。「半導体製造ライン内の真空技術は、製造コストを非常に高くするでしょう」と彼女は言います。それでも、彼女は、ナノ真空管は動作するデバイスというよりも「概念実証」に近いものであると警告しています。その動作要件は現在のトランジスタにまだ適合していないからです。一例として、デバイスをオンにするには約 10 ボルトが必要ですが、最近のトランジスタは約 1 ボルトで動作します。この点で、ナノ真空管は現代の回路と互換性がありません。

それでも、可能性は大きいとメイヤッパンは言います。新しい真空管の放射線に対する固有の耐性は、軍隊と NASA に多くの時間とお金を節約する可能性がありますが、その高速動作により、いわゆるテラヘルツ技術のまれな候補となっています。電磁スペクトルのマイクロ波領域と赤外線領域の間に位置するテラヘルツ領域は、特定の分子の「指紋」を見つけることができます。したがって、この技術を空港で使用して、たとえば違法薬物を安全にスキャンすることができます。

では、真空管は復活する準備ができているのでしょうか?メイヤッパンはそう思う。「私たちは、真空の最高のものと、集積回路の製造について過去 50 年間に学んだことの最高のものを組み合わせています」と彼は言います。