# Шесть необычных транзисторов

Леонид Александрович Ашкинази

Шесть необычных транзисторов


Способы управления


Когда мы щелкаем выключателем, мы механически управляем электричеством. Именно это управление, передача сигнала из мира механики в мир электричества - ядро процесса. Обратный процесс - передача сигнала из мира электричества в мир механики - для человека невозможен, человек не является источником электричества. А вот электрические рыбы (электрические сом, скат, угорь и др.) могут передавать сигнал из мира электричества в мир механики (отпугнув врага, обездвижив добычу). Но зато люди могут осуществлять многоступенчатые передачи, последней стадией которых как раз и будет превращение электричества в механическое перемещение. Например, применяя электромагнит для загрузки железного лома в плавильную печь (мартен), мы делаем именно это.

Превращает электричество в механическое перемещение и любой электродвигатель; а электрогенератор, соответственно, превращает механическое перемещение в электричество. Делает это и механотрон - электронная лампа с подвижными электродами, и наша школьная любовь - электрофорная машина. А имея дело с реле, мы осуществляем целую цепочку превращений. Сначала, подав напряжение на реле, мы механически, например, нажав на кнопку, управляем электричеством. Потом, уже внутри самого реле, электрический ток создает механическое перемещение. При этом замыкаются контакты, включенные в более мощную цепь, и механическое перемещение обратно преобразуется в электричество, причем более мощное, чем исходное, - в чем и состоит смысл применения реле.

В школьном курсе физики упоминаются электровакуумные лампы и транзисторы. Это тоже передача сигнала, причем в некотором смысле даже более простая - из одной электрической цепи в другую. Все это вещи обычные и известные. В данной статье расскажем о некоторых более редких способах управления, способах преобразования одного электрического сигнала в другой, о необычных транзисторах. Причем некоторые из них, скорее всего, останутся на уровне идей или опытных образцов, а некоторых, возможно, ждет иная, более яркая судьба.

И не случайно инженеры иногда изучают патентные фонды. Кто знает, как сверкнет, отразившись в мозге профессионала, идея многолетней давности...


Плавление и двойная защита


При плавлении твердых веществ потребляется теплота фазового перехода. Соответственно, известно авторское свидетельство SU 1566421, выданное 12 апреля 1988 года, на устройство, в котором полупроводниковый прибор защищается от перегрева тем, что часть тепла, которое в нем выделяется, идет на плавление контактирующего с ним вещества. Есть и другие предложения этого типа, но в данном авторском предусмотрен и второй уровень защиты. У всех веществ при плавлении изменяется объем. Этот эффект может быть преобразован в перемещение так, чтобы в какой-то момент размыкались соответствующие цепи и выделение тепла вообще прекращалось. При остывании устройства расплав кристаллизуется, объем восстанавливается, цепь замыкается и работа возобновляется.

Разумеется, механика должна быть разной для веществ, которые при плавлении расширяются (как в этом авторском) и сжимаются. Для справки - сжимается при плавлении не только Н2О, как пишут в некоторых книжках, но еще восемь элементов (Ar, Ga, Si, Ge, Pu, Bi, Ce, Sb), некоторые сплавы, некоторые виды тяжелой (с дейтерием или тритием) воды и, кажется, B2O3.

Заметим, что защищать от перегрева можно не только плавлением, но и испарением. Потребление тепла при испарении в электронике используется в тепловых трубах. Известно охлаждение мощных электронных ламп потоком воздуха, несущего капельки воды. При попадании на горячую поверхность капли вскипают, а пар сносится потоком воздуха.


Вакуумный полевой транзистор

Этот прибор, насколько я знаю, изобрел в 1975 году Александр Головченко, сотрудник завода "Эмитрон" (Москва). Почему не было взято авторское свидетельство, почему не было публикаций в профессиональных журналах - не знаю. Наверное, единственное упоминание в литературе - в нашем журнале (см. "Химию и жизнь", 1968, ! 1, с. 34). По принципу действия прибор похож на полевой транзистор с изолированным затвором.

Напомним, что такой транзистор превращает изменения электрического поля в изменение сопротивления. Ток протекает по полупроводнику между двумя электродами, истоком и стоком. Сбоку расположен третий электрод, затвор. Он отделен от полупроводника слоем диэлектрика, изолятором. Поле, создаваемое затвором, проникает в полупроводник и влияет на движение электронов в нем, то есть на его сопротивление. Поскольку это полупроводниковый прибор, он не любит радиацию и высокие температуры - как и все такие приборы, хотя и в разной степени.

В электронных лампах источником электронов почти всегда служит термокатод, обычно из оксидов щелочно-земельных металлов (Ba, Sr, Ca). В исходном состоянии их смешанные оксиды диэлектрики, но при нагреве в вакууме до 600-800°С становятся полупроводниками, слабо реагирующими на радиацию и дополнительное тепловыделение (они и так уже сильно нагреты). Вот этот полупроводник и было предложено использовать в качестве сопротивления, управляемого полем. В качестве изолятора применялся, естественно, вакуум. Эксперименты показали, что такие приборы работают. Почему идея не получила развития, не знаю.


Инжекция электронов из вакуума


Раз уж мы произнесли слово "вакуум", можно спросить, а нельзя ли использовать вакуум не как изолятор, а как проводник? Говорят, что вакуум - это диэлектрик, но это странный диэлектрик, в котором можно создать поток электронов. Помните компьютеры и телевизоры с кинескопами, которые занимали половину стола? - в них как раз и был поток электронов в вакууме. Тонкий электронный луч летел нам навстречу, от катода в дальнем конце до экрана, и как раз на экране он рисовал изображение - люминофор поглощал электроны и излучал фотоны.

Любой поток электронов можно ввести в полупроводник, в том числе и полупроводник с p-n-переходом. Именно это происходит в изотопных батареях. Представьте себе конденсатор в вакууме, причем на одну из пластин нанесен изотоп, при распаде излучающий электроны. Они долетают до другой пластины и накапливаются на ней. А если мы, не нарушив вакуума, сделаем от пластин выводы наружу и соединим их снаружи сопротивлением, то по сопротивлению потечет ток этих электронов.

Мы сделали изотопную батарею, изобретенную в 1913 году Генри Мозли (о нем см. "Химию и жизнь", 1980, ! 11, с. 76). Однако энергия этих электронов слишком велика, а их количество слишком мало. Поэтому на приемный электрод наносят полупроводник с p-n-переходом, делают от него два вывода и подсоединяют к ним нагрузку. Электрон с высокой энергией тормозится в полупроводнике, создает в нем тысячи электронно-дырочных пар, раздавая им свою энергию. Потом p-n-переход их разделяет, и по нагрузке течет ток. Это вариант, нашедший себе применение, но есть еще два.

У электронных ламп большое входное сопротивление, у полупроводников - низкое выходное. Установим на анод обычной электронной лампы полупроводник с p-n-переходом, выведем от него два вывода и подсоединим нагрузку. Мы получили гибридный прибор, сочетающий лучшее от лампы и транзистора - большое входное сопротивление первого и малое выходное - второго.

Другой вариант гибридного прибора - примерно, как древний кинескоп, но весь экран - это поле из транзисторов. Перемещая электронный луч (или несколько лучей), можно управлять этими транзисторами. И те и те выпускали в 1970-е годы, но широкого применения приборы не нашли.


Электрохимический транзистор


Это транзистор, в котором канал, соединяющий исток и сток, сделан из органического полупроводника, сопротивление которого зависит от его состава. Канал контактирует с проводящей жидкостью, она содержит ионы, которые при определенном ее потенциале направляются к каналу, сорбируются на его поверхности и диффундируют в него. И сорбция, и диффузия могут изменять сопротивление канала. При потенциале другого знака на жидкости ионы отходят от канала, это уменьшает концентрацию ионов и на поверхности канала, и в нем самом, и восстанавливает исходное значение сопротивления. Такое устройство, наверное, тоже может найти применение. Те, кто о нем пишут, в основном упоминают биологию и медицину. Принципиально важен здесь механизм управления сопротивлением канала через диффузию, а конкретные вещества могут быть разными.


Транзистор на графене


При взгляде на графен мысль "хорошо бы сделать из него транзистор" появляется с той же скоростью, с которой бегают в нем электроны. Но в своем простейшем, исходном виде он не полупроводник, у него нет запрещенной зоны. Однако с ним можно многое сделать, например изготовить его в виде лент разной, в том числе и переменной, ширины. Можно по-разному оформить края этих лент, можно расположить графен на подложке, можно варьировать материал изолятора, можно внести в графен примеси, дислокации и квантовые точки, можно использовать несколько слоев графена. Усилия, которые прикладываются в этом направлении, весьма серьезны, и возникает впечатление, что успех будет достигнут. Вот признак этого - все чаще обсуждают не только как сделать нечто, но и как сделать это промышленными способами. А в самых последних публикациях уже обсуждается проблема разброса параметров.


Транзистор на алмазе


Алмаз имеет уникально высокую теплопроводность, не только выше, чем у всех диэлектриков, но и выше, чем у всех других веществ. Этого одного достаточно, чтобы захотелось сделать транзистор на его основе. А если сделать изотопно-чистый алмаз из 12С, теплопроводность возрастает еще на треть. Есть у алмаза и другие преимущества, например, высокая электропрочность. Но он - диэлектрик, а чтобы сделать из него полупроводник, можно ввести в него бор или фосфор. Другой вариант - использовать поверхностную проводимость, обработав в водородной плазме (гидрированный алмаз). Однако на обоих этих путях возникает много проблем, в частности трудно сделать низкоомные контакты.

При попытке сравнить состояние двух последних направлений возникает ощущение, что алмазное направление в некотором смысле более традиционное, и у технологов в этом направлении накоплен больший опыт. Но почему-то ситуация не выглядит более простой, хотя сведения о работающих опытных образцах в физических журналах уже появлялись.

В заключение немного о вечном. Деление на вакуумные и полупроводниковые приборы традиционно, равно как и деление на твердое, жидкое и газообразное. Но, как вы уже увидели, всякие интересные идеи часто возникают именно в пограничной области, а точнее - при использовании понятий, моделей и технологий из соседних областей. Отсюда частный, но, надо думать, важный вывод - широкое базовое образование может быть важнее, чем ранняя специализация. Если думать не только о сегодняшнем, но и о завтрашнем дне.


2