核反应堆中耐高温和电离辐射的微等离子体晶体管

犹他大学的电气工程师制造了最小的等离子体晶体管，可以承受在核反应堆中发现的高温和电离辐射。有一天，这种晶体管可能会使智能手机在战场上拍摄和收集医用x光片，并使设备能够实时测量空气质量。

“这些基于等离子体的电子设备可以用来控制和引导机器人在核反应堆内执行任务，”电气和计算机工程教授马苏德·塔布-阿扎(Massood Tabib-Azar)说。“电路中的微等离子体晶体管也可以在出现问题时控制核反应堆，在核攻击时也可以工作。”

Tabib-Azar和电子工程博士生Pradeep Pai对这种新型晶体管的研究发表在3月20日星期四的《IEEE电子设备通讯》杂志上，该杂志由电气和电子工程师协会出版。这项研究是由美国国防高级研究计划局资助的。

晶体管是电子工业的主要部件。它们控制着设备中的电流流动，充当电子信号的开关或门。数十亿个晶体管通常被制作成独立的但连接在一块计算机芯片上的组件。最常用的一种晶体管叫做金属氧化物半导体场效应晶体管，或MOSFET。

晶体管通过电场来控制通过硅通道的电荷流动，就像用电场作为控制钮，电荷作为电流的阀门一样。硅基晶体管是现代电子的关键部件，但它们在550华氏度(核反应堆通常运行的温度)以上就会失效。

基于等离子体的晶体管，利用带电气体或等离子体在极端高温下导电，目前被用于光源、医疗器械和某些在阳光直射下的显示器(但不包括等离子电视，这是不同的)。这些微型设备大约有500微米长，大约是人类五根头发的宽度。它们的工作电压超过300伏，需要特殊的高压电源。美国的标准电源插座工作电压为110伏。

犹他大学的工程师们设计的新装置是迄今为止最小的微尺度等离子体晶体管。它们的长度为1微米到6微米，比目前最先进的微等离子体设备小500倍，工作电压为1 / 6。它们还可以在高达1450华氏度的温度下工作。由于核辐射将气体电离成等离子体，这种极端的环境使得等离子体设备更容易操作。

Tabib-Azar说:“等离子体非常适合极端环境，因为它们是基于氦、氩和氖等气体，这些气体可以承受高温。”“这种晶体管有潜力开创一种适合在核环境中工作的新型电子设备。”

传统晶体管由两个有源层组成，一个在另一个之上。电流流过其中一层，称为通道。另一层称为门，控制通道中的电流。如果给栅极施加足够的电压，晶体管就接通。

在这项新研究中，Tabib-Azar和Pai在4英寸的玻璃晶圆上沉积了金属合金层，形成了栅极。然后在栅极顶部沉积一层硅。

与典型的晶体管不同，犹他州的微等离子晶体管“通道”是一个空气间隙，一旦施加电压，它就能从等离子体中传导离子和电子。为了实现这种独特的设计，研究小组使用化学反应气体蚀刻掉了部分硅薄膜。这种蚀刻过程会留下空洞和空腔，形成晶体管的通道，并暴露下面的栅极。在这项新研究中测试的通道宽2微米，长10微米，氦被用作等离子体源。

Tabib-Azar说:“虽然这里的长度尺度要小得多，但我们想出了一种创新的方法，使这些结构三维化。”“我们目前正在将这些设备连接起来，形成逻辑门和计算电路，我们将在犹他大学(University of Utah)的实验核反应堆中进行测试，这是大多数其他大学都没有的设施。”

Tabib-Azar说，传统的mosfet需要金属来连接电路，但犹他州的微等离子体设备将使用基于等离子体的连接来实现通信。因此，这些电路只有在通电时才能工作，否则就会消失，这使它们适合于国防应用。

tabb - azar说，在未来五年内，这些等离子体设备也可以用作x射线成像源。tabbb - azar说，由于这种设备的尺寸非常小，战场上受伤士兵的x射线图像可以通过配备了也能产生x射线的晶体管的智能手机收集。

再过5年，该设备将用于检测和识别气溶胶污染物，根据物质通过该设备时释放的颜色。他补充说:“这些化学传感设备可以用来实时定量监测空气质量，使研究人员能够构建准确的空气质量地图。”

在近期内，这些新的晶体管可以用来产生x射线，在硅上画出细线，为电子工业绘制微型器件的图案。Tabib-Azar说，使用这种新的x射线技术，“你可以做激光打印相同的事情，但你可以使用这些微小的x射线源在硅片上打印。”这使工程师能够在不使用非常重的镜头和x射线束整形设备的情况下进行x射线光刻。”

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