1976年9月，在冷戰中期，一名心懷不滿的蘇聯飛行員——維克多?伊萬諾維奇?別連科在西伯利亞上空的一次飛行訓練中，駕駛著他的米格-25狐蝠式戰斗機偏離了航道，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戰斗機，他們曾認為這種戰斗機是世界上最先進的飛機之一。但他們的發現使他們感到震驚。

首先，該飛機的機身比那些美國的當代戰機粗糙，大部分是由鋼制成的，而不是鈦金屬。更重要的是，他們發現該飛機的航空電子設備艙裝滿了基于真空管而非晶體管的設備。不論先前人們對其懷有何種畏懼心理，顯而易見的是，即使是蘇聯最尖端的技術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讓位給了體積更小、耗電更少的固態器件了。1947年，威廉?肖克利（WilliamShockley）、約翰?巴丁（John 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，在西方電子領域能找到的為數不多的真空管隱藏于某些專業設備中——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，除了幾個特殊領域外，真空管已經是一種滅絕的技術了。因此，了解到目前集成電路制造技術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真空通道晶體管。我們的研究還處于早期階段，但我們構建的原型顯示，這種新型設備擁有非凡的潛力。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，這遠遠超出了任何固態設備的范圍，而且它們承受熱和輻射的能力也更高。要理解其原因，了解一些關于老式真空管的制造及運行的情況會有所幫助。

在20世紀上半葉，擴增無數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碼電子產品中的金屬氧化物半導體場效應晶體管（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放大器，或者，如果有足夠的偏壓，可以充當開關。

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別。真空管依靠一種叫做熱電子發射的過程：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電子呢？半導體的優點包括成本更低，尺寸更小，壽命更長，效率更高，耐用性、可靠性和一致性更強。盡管半導體有這些優點，但當純粹作為輸送電荷的介質來考慮時，真空管仍優于半導體。電子能自由地在真空中傳播，而它們在固態電子中就會與原子發生碰撞（這一過程被稱為晶體晶格散射）。更重要的是，真空管不容易產生困擾半導體的那種輻射損傷，并且它比固態材料產生的噪聲更少、失真更小。

然而，當年只需要少數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域的巨大變化，與其說是由于半導體的固有優點，還不如說是由于工程師獲得了能夠大量生產晶體管，并通過化學雕刻或蝕刻將晶體管與集成電路相結合，使其成為擁有適當圖案的硅晶片的能力。隨著集成電路制造技術的進步，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化。而電子產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。在多年的改進過程中，真空管從未受益于摩爾定律。

但晶體管經過40年的瘦身，現在典型的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。未來的晶體管技術是什么樣的呢？納米線、碳納米管以及石墨烯都在緊鑼密鼓地開發。也許，這些方法中的某一種將重塑電子行業。又或許，它們都會不了了之。

我們一直在努力開發另一項備選技術來取代MOSFET，多年來研究人員一直在斷斷續續地對其進行嘗試：那就是真空通道晶體管。它是傳統的真空管技術和現代半導體制造技術的聯姻。

這種奇特的混合技術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設備一樣實現體積小、價格低的優點。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，使其發射電子。

這就是真空管需要時間來預熱，并且電力消耗如此大的原因。這也是它們經常會燒壞（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的平均距離（被稱為平均自由程）會怎樣呢？這樣，你就不必擔心電子與氣體分子之間的碰撞了。例如，在標準大氣壓下，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%。繼續縮小距離，則碰撞的幾率進一步減小。

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