太空应用领域的曙光！NASA展示纳米级互补真空场发射晶体管

几十年来，NASA 在载人航天和机器人领域探索中经历了各种类型的固态电子器件失效问题，外太空探索所面临的挑战远远超出常人想象。

传统固态电子器件具有尺寸小、重量轻、更耐用、集成度高、另预热时间、电流效率大等众多优点，这也是为什么固态电子器件在航空航天工程中能够占据一席之地，而且在陆地应用领域更是重中之重，但是，在太空领域，诸如宇宙辐射、太阳耀斑、大幅度温差等等恶劣条件，即便是耐用的硅晶体管也不能很好的胜任。

为了能够让晶体管满足外太空领域的需求，多年来，NASA 靠创建备份系统以及其他措施来保证正常运行，另外，NASA 还与众多机构进行合作，比如国防先期研究计划局和美国国防部开发替代技术，如砷化镓、氮化镓。

为了克服电子器件失效的难题，位于加利福尼亚州硅谷 NASA 艾姆斯研究中心的高级科学家 Jin-Woo Han 希望利用真空电子管原理研究出新型的晶体管。

近日，Jin-Woo Han 和他的同事 Meyya Meyyappan、Myeong-Lok Seol 和 Jungsik Kim 一起设计了纳米级互补真空场发射晶体管，即 VFET。

图 │ Jin-Woo Han（来源：NASA）

这种新型晶体管的优势是什么？

VFET 全称真空场发射三极管，也叫作纳米级真空沟道晶体管，它没有半导体沟道，在源极端子和漏极端子之间存在有一个空的间隙，电子穿过这个空隙，这样的设计融合了真空电子器件和固态电子器件的优点。

VFET 器件在真空环境下具备很好的栅控特性以及场发射特性，同时还具备在大气环境中的电学性能，也就是说它可在大气压下工作而无需真空，但为了能够更加稳定可靠地工作运行，需要中等真空度，例如几百毫托。另外，这些 VFET 最低可在 2V 驱动电压下运行，这种特性在真空电子设备算是首次。

设计过程中所面临的挑战？

在常规的金属氧化物半导体场效应晶体管中分别具有 N 型和 P 型器件，即 NMOS 和 PMOS。这很容易实现，因为半导体可以采用任何一种方式进行掺杂。这两种类型的可用性允许在两个器件成对工作的情况下构造 CMOS。

当连接到公共输入电压时，它们以相反的方式工作：当一个晶体管导通时，另一个晶体管截止。由于在沟道中没有用于掺杂的半导体材料，也没有可能制造 P 型器件的空穴，因此 VFET 的互补操作无法实现。

图 │ CVFET 的致动方式和电子发射轨迹的示意图（来源：Meyya Meyyappan）

针对这一难题，Jin-Woo Han 和他的同事们进行了重新设计。真空设备中载流子的主要源是电子，这是源电极中场发射产生的。在没有漏洞的情况下，便需要一种外部机制来调用互补操作（如上图所示）。

此处的机制是栅极的纳米机电（NEM）致动，可调制真空沟道的长度，从而调节电子在栅极电压下跨源 - 漏沟道的传输，形成较短的真空通道长度，并且正输入电压接通 N 型器件，负输入电压接通 P 型器件。值得一提的是，NEM 驱动的门调制是 NEMS 继电器开关和其他低功耗电子产品中采用的一项成功技术。

为了测试器件的性能，Jin-Woo Han 和他的团队借助扫描电容显微镜和原子力显微镜来进行分析。同时，他们还研究了多种材料构建真空通道纳米器件来代替传统晶体管，比如金属氧化物、绝缘体上硅、环栅金属氧化物场效应晶体管等等，研究发现，最具优势的是真空栅介质内构建 GAA 纳米线。

在被问及是否正在基于此设计制造设备时，Jin-Woo Han 表示目前还没有。“我们通过仿真和研究潜在电路演示了这一概念，提供了一种可能的工艺流程来制造器件，这在 CMOS 中效果很好，提供了互补的类型传输和输出特性。而接下来的器件制造环节，这些工艺步骤与当前在硅集成电路制造中使用的工艺步骤非常相似。我们希望设备研究界将对设计和工艺流程以及材料选择能够进行更深层次的调整、完善和优化。”他说道。

这种新型晶体管的前景应用如何？

首先，与 VFET 的纯电子常规结构相比，这种互补结构能够实现非常低的静态功耗和非常高的抗干扰性，这两者在使用逻辑电路的应用中至关重要。因此，低功耗逻辑电路的应用是非常好的选择。

此外，这种新型晶体管还将会是太空和军事应用中所需的防辐射电子产品的理想选择，而这要得益于其本身具备抗辐射的能力。环绕在地球外围的电粒子带存在着辐射，太空电子设备面临的主要挑战之一就是其长时间暴露在辐射环境中而不易受到影响。

要知道，传统设备遭受辐射撞击会在沟道半导体和氧化物材料上产生各种缺陷，导致器件导通状态电流降低、漏电流增加，这些缺陷会慢慢积累并最终导致设备故障甚至是损毁。

这种晶体管不惧辐射根源在于内部没有半导体通道或介电材料，其发射极和收集极之间是真空的，从而使其不受到宇宙辐射、太阳耀斑等恶劣条件的干扰。

目前，Jin-Woo Han 和他的团队正在更进一步探究这种晶体管的潜力，虽然当下还是采用标准半导体制造工艺来制造的，但这并非是最为理想的材料，比如硅的电荷发射功率不足，接下来还将试验碳化硅，氮化镓，石墨烯和碳纳米管在内的多种材料。

您从未听说过的11个最伟大的真空电子管，在六七十年代独领风骚

在我们之前的认知中，只有老式收音机才使用真空电子管，这是一篇让人大开眼界的文章，本文作者是真空电子管领域的专家，他给我们介绍了在过去60或70年代中无疑改变了世界的真空管。

您从未听说过的11个最伟大的真空管

这些真空装置在冷战期间站岗，先进的粒子物理技术，治疗过癌症的患者，并使甲壳虫乐队在收音机里听起来不错。

文：卡特·M·阿姆斯特朗（Carter M. Armstrong）

在数以百万计的固态设备支撑的时代，您是否还要关心真空管？你绝对应该！对于丰富性，戏剧性和纯粹的光彩，很少有技术时间表可以与真空管的116年（且不断增长）历史相匹配。为了证明这一点，我整理了一个系列，这些真空管在过去60或70年代中无疑改变了世界。

而且，从很好的角度来看，您还会在这里找到一些太独特，太酷或太奇怪而默默无闻的消逝。

我的清单并不全面。在这里，您找不到像Nixie管或闸流管那样的充气玻璃器皿，没有“超高”脉冲功率微波设备，也没有阴极射线管。我特意省略了一些著名的电子管，例如卫星行波管和微波炉磁控管。而且我非常迷射频管，因此我忽略了音频管的广泛应用，一个值得注意的例外。

但是，即使在我选择的参数范围内，也有如此多惊人的设备，以至于很难只选择其中的11种。因此，这是我对某些有影响的电子管的特殊顺序不分先后。

1医用磁控管

Medical Mangnetron的照片图片：Teledyne e2v

如果要以紧凑的封装有效地产生相干射频功率，则无法击败磁控管。

磁控管在第二次世界大战中首次崛起，为英国雷达提供动力。磁控管在雷达中的使用在1970年代开始减弱，但这种管在工业，科学和医学应用中找到了新的生命，并一直延续到今天。

医用磁控管正是为此用途而发光的。在线性加速器中，它会产生高能电子束。当束中的电子被靶中的原子核偏转时（由具有高原子序数的材料（例如钨）组成），会产生大量X射线，然后可以将X射线定向杀死肿瘤中的癌细胞。1952年，伦敦哈默史密斯医院安装了首个用于放射治疗的临床加速器。一个2兆瓦的磁控管为3米长的加速器提供了动力。

继续开发大功率磁控管以满足放射肿瘤学的需求。此处显示的医用磁控管由e2v Technologies（现为Teledyne e2v）制造，产生的峰值功率为2.6 MW，平均功率为3千瓦，效率超过50％。它只有37厘米长，重约8公斤，小巧轻便，足以容纳放疗机的旋转臂。

2回旋管

Gyrotron的照片图片：核聚变/国际原子能机构

回旋管是1960年代在苏联设想的，是一种大功率真空装置，主要用于在核聚变实验（如ITER）中加热等离子体，该实验现在在法国南部进行。这些实验性反应堆可能需要高达1.5亿摄氏度的温度。

那么兆瓦级回旋管如何工作？这个名字提供了一个线索：它使用在腔体内的强磁场中旋转或旋转的高能电子束。（我们管的人们喜欢我们的-trons和-trodes。）旋转电子和腔体电磁场之间的相互作用产生了高频无线电波，这些无线电波被引导到等离子体中。高频波会加速等离子体中的电子，从而在此过程中加热等离子体。

产生1兆瓦平均功率的灯管不会很小。聚变回旋管通常高约2至2.5米，重约1公吨，其中包括6或7特斯拉超导磁体。

除了加热聚变等离子体外，回旋管还用于材料处理和核磁共振光谱学中。在美国军方的主动拒绝系统中，还对非致命人群控制进行了探索。该系统投射出相对较宽的毫米波光束，直径可能为一米半。光束旨在加热人的皮肤表面，产生灼烧感，但不会穿透或损坏下面的组织。

3迷你行波管

迷你行波管照片图片：L3Harris电子设备

顾名思义，行波管（TWT）通过电路中行进或传播的电磁波的电场与流动的电子束之间的相互作用来放大信号。

20世纪大多数TWT被设计为具有极高的功率增益，放大率达到100,000或更高。但是您并不总是需要那么多收益。输入mini TWT，如L3Harris Electron Devices的示例所示。迷你TWT的增益约为1,000（或30分贝），适用于需要40至200瓦范围内输出功率且需要小尺寸和低电压的应用。例如，以14 GHz的频率运行的40 W迷你TWT可以放在您的手掌中，重量不到半公斤。

事实证明，军事部门非常需要小型TWT。微型TWT在1980年代问世后不久，就被用于飞机和舰船的电子战系统中，以防御雷达制导导弹。在1990年代初期，设备设计人员开始将微型TWT与紧凑的高压电源集成在一起以为设备供电，并使用固态放大器来驱动设备。组合创建了所谓的微波功率模块或MPM。由于其体积小，重量轻和效率高，MPM放大器可立即用于诸如“捕食者”和“全球鹰”之类的军用无人机的雷达和通信发射器中，以及电子对策中。

4加速器速调管

加速器速调管照片图片：档案和历史办公室/ SLAC国家加速器实验室

速调管帮助开创了高能物理大科学时代。速调管将电子束的动能转换为射频能。该设备的输出功率比行波管或磁控管大得多。罗素（Russell）和西格德·瓦里安（Sigurd Varian）兄弟在1930年代发明了速调管，并与其他人一起创立了瓦里安（Varian Associates）进行销售。如今，瓦里安（Varian）的电子管业务在通讯和电力工业（Communications and Power Industries）上持续发展。

在速调管内部，由阴极发射的电子向阳极加速以形成电子束。磁场使光束在通过阳极的孔到达光束收集器时不会膨胀。在阳极和集电极之间是称为空腔谐振器的中空结构。高频信号被施加到最靠近阴极的谐振器，从而在腔体内建立了电磁场。当电子束通过谐振器时，该场对电子束进行调制，从而导致电子的速度发生变化，并且当电子向下游的其他空腔谐振器移动时，电子会聚束。大多数电子在通过最终谐振器时会减速，最终谐振器以高功率振荡。结果是输出信号远大于输入信号。

在1960年代，工程师们开发了速调管作为斯坦福大学正在建造的新型3.2公里线性粒子加速器的射频源。SLAC速调管的工作频率为2.856吉赫，并使用250千伏的电子束，产生的峰值功率为24兆瓦。为了获得高达500亿电子伏特的粒子能量，需要其中240多个。

SLAC速调管为真空管作为高级粒子物理和X射线光源设备的RF源的广泛使用铺平了道路。SLAC速调管的65兆瓦版本仍在生产中。速调管还用于货物筛选，食品灭菌和放射肿瘤学。

5环形棒行波管

环形杆行波管照片图片：L3Harris电子设备

仍然强大的一种冷战管是巨大的环形杆行波管。这种大功率灯管从阴极到集电极的距离超过3米，是世界上最大的TWT。北达科他州的Cavalier Air Force Station上有128个环形TWT，可为超强大的相控阵雷达提供射频信号。这种被称为“周边捕获雷达攻击特征系统”（PARCS）的440MHz雷达用于寻找向北美发射的弹道导弹。它还作为空间监视网络的一部分，监视空间发射和绕行物体。PARCS由GE于1972年建造，可以追踪地球上所有轨道物体的一半以上，据说它能够识别2,000英里（3218公里）范围内的篮球大小物体。

在距离阿拉斯加海岸约1900公里的偏远谢米亚岛上的相控阵雷达中，使用了甚至更高频率的环形棒管。雷达被称为“眼镜蛇戴恩”，它监视非美国弹道导弹的发射。它还收集有关低地球轨道的太空发射和卫星的监视数据。

在这个庞然大物中使用的电路称为环形棒，它由通过沿其长度重复的交替的条或棒连接的圆环组成。这种设置所提供的电子束在电子束上的电场强度要比花园式TWT高，后者的射频波沿螺旋形导线传播。环形管的场强较高，因此功率增益更高，效率更高。这里显示的管是雷神公司在1970年代初期开发的；现在由L3Harris Electron Devices制造。

6Ubitron

一个男人和Ubitron的照片照片：罗伯特·菲利普斯（Robert Phillips）

在“自由电子激光器”一词出现之前的十五年，有一个真空管以同样的基本原理工作-泛子，即“起伏束相互作用”的代表。

1957年泛素的发明是偶然发生的。加州帕洛阿尔托的通用电气微波实验室的工程师罗伯特·菲利普斯（Robert Phillips）试图解释为什么一个实验室的行波管发生振荡而另一个却没有。比较这两个灯管，他注意到它们的磁聚焦发生变化，这导致一个灯管中的光束摆动。他认为这种起伏可能会导致与波导中电磁波的周期性相互作用。反过来，这对于产生极高水平的峰值射频功率很有用。因此，泛素诞生了。

从1957年到1964年，菲利普斯（Phillips）及其同事制造并测试了各种泛子。此处显示的1963年照片是GE同事Charles Enderby手持的无核子磁铁。该灯管在70,000伏的电压下工作，在54 GHz时产生的峰值功率为150 kW，创下十年来的最高水平。但是资助泛光子工作的美国陆军在1964年停止了研发工作，因为没有天线或波导可以处理如此高的功率水平。

当今的自由电子激光器采用了与泛素相同的基本原理。实际上，为了表彰他在泛子上的开拓性工作，菲利普斯于1992年获得了自由电子激光奖。现在，安装在粒子加速器的大型光和X射线源中的FEL产生强大的电磁辐射，该电磁辐射用于探索化学键的动力学，了解光合作用，分析药物如何与靶标结合，甚至产生温暖而稠密的物质，研究气体行星的形成方式。

7激子管

Carcinotron的照片图片：CSF

法国管称为回旋加速器，是冷战时代另一个引人入胜的例子。与磁控管有关，它是由Bernard Epsztein于1951年在CompagnieGénéraledeTélégraphieSans Fil（CSF，现为Thales的一部分）上构思的。

像泛子一样，回旋加速器是为了解决传统电子管的振荡问题而诞生的。在这种情况下，振荡的源头可以追溯到射频电路沿电子束电子束的相反方向倒流的功率。Epsztein发现，振荡频率可以随电压而变化，因此获得了电压可调的“反向波”管的专利。

在大约20年的时间里，美国和欧洲的电子干扰器都使用电子回旋加速器作为其射频电源。此处显示的电子管是CSF在1952年制造的第一支电子管。它在S波段提供了200 W的RF功率，该功率从2 GHz扩展到4 GHz。

考虑到它们可以处理的功率水平，回旋加速器非常紧凑。包括其永久聚焦磁体的500W型号重量仅为8千克，尺寸为24 x 17 x 15厘米，其阴影小于鞋盒。

还有这个奇怪的名字吗？Thales Electron Devices的真空电子科学家Philippe Thouvenin告诉我，它来自希腊语karkunos，意为小龙虾。当然，小龙虾会向后游。

8双模行波管

双模行波管照片图片：诺斯罗普·格鲁曼

双模TWT是1970年代和80年代在美国开发的一种用于微波对抗雷达的奇异球微波管。这种管子既可以进行低功率连续波也可以进行大功率脉冲操作，它遵循一句古老的格言：两个比一个更好：它有两个光束，两个电路，两个电子枪，两个聚焦磁体和两个收集器，全部封装在一个真空封套中。

该电子管的主要卖点是它扩大了给定应用的用途，例如，一种对策系统可以在连续波和脉冲功率模式下运行，但只需一个发射器和一个简单的天线馈源。电子枪中较短的脉冲功率部分中的控制网格可以迅速将电子管从脉冲转换为连续波，反之亦然。谈论将许多功能打包到一个小包装中。当然，如果真空泄漏了，您将失去两种电子管功能。

此处显示的灯管是由雷神公司的功率管部开发的，该部于1993年被利顿电子设备公司收购。雷神公司/利顿公司以及诺斯罗普·格鲁曼公司制造了双模TWT，但众所周知，这种管很难批量生产，因此已停产。2000年代初期。

9多光束速调管

多光束速调管照片照片：Thales

正如我们许多人所学到的那样，功率等于电压乘以电流。为了从真空管中获得更多功率，可以增加真空管电子束的电压，但这需要更大的管和更复杂的电源。或者您可以提高电子束的电流，但这也可能会带来问题。为此，您需要确保设备可以支持更高的电流，并且所需的磁场可以安全地将电子束传输通过电子管电路，即电子管与电子束相互作用的部分。

此外，由于功率转换所需的电子束受到影响，电子束的效率通常会随着电子束电流的增加而下降。

如果要谈论具有单个电子束和单个电路的常规真空管，则所有这些警告都适用。但是，如果您使用多束光束，这些束光束来自多个阴极并经过公共电路，该怎么办？即使单个电子束电流适中，总电流仍会很高，而器件的整体效率不会受到影响。

1960年代，在美国，苏联和其他地方研究了这种多光束装置。美国的工作逐渐减少，但苏联的活动仍在继续，从而成功部署了多光束速调管或MBK。苏联将其中许多电子管用于雷达和其他用途。

上面显示了MBK的现代示例，该示例由法国Thomson Tubes Electroniques公司（现已成为Thales的一部分）于2001年生产。该MBK是为德国电子同步加速器（DESY）开发的。欧洲X射线免费电子激光设备使用的是更高版本。该管有七束，总电流为137安培，峰值功率为10 MW，平均功率为150 kW；它的效率大于63％。相比之下，汤姆森（Thomson）开发的单束速调管可提供5 MW峰值功率和100 kW平均功率，效率为40％。因此，就其放大能力而言，一个MBK相当于两个传统的速调管。

10Coaxitron

Coaxitron的照片图片：RCA

到目前为止，我所描述的所有电子管都是专家所说的束波装置（在磁控管的情况下是束流波）。但是在这些设备问世之前，电子管具有栅格，栅格是透明的屏幕状金属电极，插在电子管的阴极和阳极之间，以控制或调节电子流。根据管子有多少个栅格，它被称为二极管（无栅格），三极管（一个栅格），四极管（两个栅格）等等。低功率管被称为“接收管”，因为它们通常用于无线电接收器或开关中。（在这里，我应该注意的是，我所说的“管子”被英国人称为“阀门”。）

当然，还有更高功率的电网管。您猜对了，发射管用于无线电发射器中。后来，高功率栅格管进入了许多有趣的工业，科学和军事应用。

三极管和高阶栅极管均包括阴极，电流控制栅极和阳极或集电极（或极板）。这些管中的大多数是圆柱形的，中心电极通常是细丝，被电极围绕着。

由RCA在1960年代开始研发的coaxitron，是圆柱设计的独特组合。电子从圆柱状同轴阴极径向流到阳极。但是，共辐射管的阴极没有一个单一的电子发射器，而是沿其圆周分割的，有许多加热的灯丝作为电子源。每个灯丝形成自己的电子小束。因为子束径向流向阳极，所以不需要磁场（或磁体）来限制电子。因此，考虑到它的兆瓦级功率水平，它是非常紧凑的。

一个1兆瓦，425 MHz的同轴加速器重130磅（59千克），高24英寸（61厘米）。虽然增益适中（10至15 dB），但作为紧凑型超高频功率增强器，它仍然是一种动力。RCA设想将同轴加速器作为驱动RF加速器的来源，但最终在高功率UHF雷达中找到了家。尽管近来，同轴设备已取代了同轴加速器，但某些仍在传统雷达系统中使用。

11德律风根音频管

图片：Thump / Soundgas

一个重要的传统带网格管位于与速调管和回旋管等兆瓦级野兽的功率/频谱相反的一端。在音频工程师和唱片艺术家的推崇下，Telefunken VF14M被用作弗兰克·辛纳屈（Frank Sinatra）和甲壳虫乐队的制片人乔治·马丁爵士（Sir George Martin）所钟爱的传奇Neumann U47和U48麦克风的放大器。有趣的事实：伦敦Abbey Road Studio展出了一个Neumann U47麦克风。VF14M电子管名称中的“ M”表示它适合麦克风使用，仅授予通过Neumann筛选的电子管。

VF14是五极管，这意味着它具有五个电极，包括三个栅格。但是，当用在麦克风中时，它就像一个三极管一样工作，其两个栅格捆绑在一起并连接到阳极。这样做是为了充分利用三极管的优越音质。VF14的加热器电路以55 V的电压运行，该电路加热阴极以使其发射电子。该电压经过选择，以便可以将两个电子管串联连接在110 V主电源上，以降低电源成本，这在战后德国。

如今，您可以购买VF14M的固态替代品，甚至可以模拟电子管的55 V加热器电路。但是它能复制那种温暖可爱的电子管声音吗？关于这一点，音频势利者将永远不会同意。

这篇文章刊载在2020年11月的印刷版上，标题为《您从未听说过的9个最伟大的真空管》。

source：ieee.org

小叔来啦：

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真空管专家的生活

Carter M. Armstrong的照片

拍摄：迈克尔·马丁

“如果您告诉我我会在真空管上度过我的职业，那我会说，‘没办法。太疯狂了！' ”

卡特·阿姆斯特朗（Carter M. Armstrong）这样说，实际上他在真空设备上工作了40多年。它开始于研究生院，当时他的博士学位是马里兰大学的顾问将他转向了电子束。在北卡罗来纳州立大学，利顿州诺斯罗普·格鲁曼公司，海军研究实验室以及最近在加利福尼亚托伦斯的L3Harris任职期间，他一直担任公司电子设备部门高级开发总监。

阿姆斯特朗说，在整个过程中，这项工作一直在智力上激发和情感上的回报。他说：“解决棘手的问题很好。” “物理学很难，工程很难，而且都是相互关联的。并不是每个人都能做这种工作，但它确实会渗入您的血液。”

在这张照片中，IEEE院士Armstrong拥有他协助开发的两种设备：毫米波微型行波管和微波功率模块。他说，除了微波炉中无处不在的磁控管和通信卫星中的行波管之外，真空设备仍然可以在令人惊讶的广泛应用中找到自己的方式，在这些应用中，“您需要高效，大功率和宽放大带宽”。这些应用包括癌症治疗，聚变反应堆，工业加热，粒子加速器，雷达，导弹防御和电子战。

在阿姆斯特朗的文章中，几乎所有的管子都是他在职业生涯中曾帮助设计或接触过的，但根据他的儿子德里克（Derek）的推荐，他也加入了其中。那就是Telefunken VF14M，这是一种在声望很高的Neumann U47和U48麦克风中使用的专用音频管。几十年来，包括Ella Fitzgerald，Frank Sinatra和Beatles在内的许多录音师都喜欢这些麦克风。

“我是甲壳虫乐队的忠实粉丝，所以我很乐意加入其中。”阿姆斯特朗说。

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