Vakum tüpleri eski günlerine dönecek mi?
1976 yılının Eylül ayında, Soğuk Savaş’ın ortalarında, Victor Ivanovich Belenko isimli bir Sovyet pilot, kullandığı MiG-25 Foxbat savaş uçağı ile eğitim uçuşundan dönerken azalan yakıtı nedeniyle Japonya’nın Hokkaido Adası’na zorunlu iniş yaptı. Bu zorunlu iniş, ABD Hava Kuvvetleri askerleri için bulunmaz bir nimeti, ilk kez bir Sovyet savaş uçağını yakından inceleme fırsatı bulmuşlardı. Keşfetikleri şey onları şaşkına döndürecekti.
Uçağın dış yapısı, ABD savaş uçaklarının aksine, titanyum yerine çelikten yapılmıştı. Dahası, uçağın elektronik sistemine baktıklarında transistör yerine vakum tüplerinden oluşan bir yığın gördüler. Teknolojisinden korktukları Sovyetler, ABD’nin yaklaşık 30 yıl önce geride bıraktıkları vakum tüplerini kullanıyordu.
William Shockley, John Bardeen ve Walter Brattain’ın Bell Laboratuvarları’nda ilk yarı iletken transistörü icat etmelerinin ardından kısa bir süre sonra vakum tüplerinin yerini transistörler aldı. 1970’li yılların ortalarında, televizyonlarda ve bazı özel elektronik cihazlar dışında vakum tüpü kullanılmıyordu. Bugün ise çok özel cihazlar dışında vakum tüpleri tamamen nesli tükenmiş bir teknoloji. Ancak son yapılan çalışmalar, vakum tüplerini tekrar hayata döndürebilir.
NASA Ames Araştırma Merkezi’nin bilim insanları, son birkaç senedir vakum kanallı transistörler üzerinde çalışıyorlar. Çalışmalar hâlâ başlangıç aşamasında olsa da elde edilen prototipler, önemli sonuçlar ortaya çıkardı. Vakum kanallı transistörler, normal silikon transistörlere göre 10 kat hızlı çalışabiliyor ve çalışma hızı terahertz seviyesinde frekanslara ulaşabiliyor. Arıca sıcaklığa da daha dayanıklı. Bu avantajların nedenlerini anlamak için eski tip vakum lambalara bir göz atmakta fayda var.
Klasik vakum tüpleri, 20. yüzyılın ilk yarısında dünyada kullanılan bütün radyo ve televizyonlarda kullanılıyordu. Bu teknolojinin ne kadar yaygın olduğunu göz önüne getirmek için günümüzde kullanılan bütün elektronik cihazların içinde MOSFET ve diğer yarı iletken elemanların ne kadar yoğun kullanıldığını hatırlamakta fayda var. Temelde MOSFET ve vakum tüpü birbirine benzer. İkisi de üç terminallidir. Vakum tüpünün ızgara (grid) ucuna ve MOSFET’te ise kapı (gate) ucuna uyguladığımız gerilim, vakum tüpünün katodundan anoduna ve MOSFET’te kaynak’tan (source) oluk’a (drain) akan akımı kontrol eder. Bu özellik, bu iki komponenti yükseltici (amplifier) ya da anahtarlama elemanı olarak kullanmamızı sağlar.
Bu benzerliğe rağmen akımın vakum tüpünden ve MOSFET’ten akma biçimi farklıdır. Vakum tüpü, termiyonik yayınım (thermionic emission) tekniğine dayanır: Katot ısındıkça etrafındaki vakum ortamına elektron salar. Transistörde ise elektronlar, katı yarı iletken ortamda jonksiyon bölgelerinden geçer.
Aynı işi yapıyorlarsa neden vakum tüplerinin yerini transistörler aldı? Yarı iletkenlerin bir çok avantajı sayesinde; düşük maliyet, küçük boyut, uzun çalışma süresi, verimlilik, bakım gerektirmemesi, güvenilirlik ve kararlılık. Tabi ki vakum tüplerinin de bazı avantajları vardır. Vakum tüpleri, yükü iletme ortamı açısından transistörlerden daha iyidir. Tüplerde elektronlar vakum ortamının hiçliğinde serbestçe salınırken, transistörlerde katı yarı iletken içinde bir çok çarpışma yaparlar. Ayrıca tüpler transistörlerden daha az gürültü üretirler. Buna rağmen tüpler, günümüz teknolojisi için pek de çekici değildir. 1946 yılında yapılan ilk elektronik bilgisayar olan ENIAC’ta 17.468 adet vakum tüpü kullanılmıştı. Bu tüpler 150 kilowatt harcıyordu, bilgisayarın toplam ağırlığı 27 tondu ve yaklaşık 200 metrakare’lik bir yer kaplıyordu. Ayrıca iki günde bir tüpler bozuluyordu.
Transistör devrimi, tüm bu sıkıntılara nokta koydu. Bu devrim sadece transistörlerin avantajlarından kaynaklanıyordu, aynı zamanda mühendisleri transistörleri seri olarak üretmeyi ve mikroçiplerin içine yerleştirmeyi öğrenmişlerdi. Entegre devre tekniği ilerledikçe mikroçiplerin içine her geçen gün daha fazla transistör yerleştirildi, böylece elektronik teknolojisi gerçek anlamda çağ atladı. Transistörlerin boyutları küçüldükçe elektronları kat etmesi gereken mesafeler azaldı, böylece çalışma hızları arttı ve maliyetler azaldı.
Ancak bu teknolojinin de bir sınır var. Günümüzde tipik bir MOSFET’in bağlantı uçları için gerekli katmanlar birkaç nanometre kalınlığına kadar inceldi, başka bir deyişle artık malzemenin sınırlarına dayanıldı. Bu katmanların daha da incelmesi için çalışmalar devam etse de ilerleme hızı eskisi kadar yüksek değil. Nanokablolar, karbon nanotüpler ve grafen gibi yeni teknolojilerin peşinden koşuluyor.
NASA’nın araştırmacıları, transistörlerin bu kısıtlarını aşmak için eskiye dönüş yapıyor: Vakum kanallı transistörler. Bu yeni teknoloji, klasik vakum tüpleri ile yarı iletken transistörlerin üretim yöntemlerinin birleştirilmesi ile elde edilecek. Araştırmacıların açıklamasına göre yeni vakum transistörler, tüplerin ve yarı iletken transistörlerin en iyi özelliklerini birleştirecek ve transistörler kadar küçük ve ucuz olacak.
Vakum tüplerde, enkandesan ampullerde bulunana benzer bir flaman vardır, bu flaman katodu ısıtarak onun elektron yaymasını sağlar. Flamanın ısınması işlemi nedeniyle vakum tüpünün ısınması için belli bir süre geçmesi gerekir. Tüpün çok güç harcamasının nedeni budur. Ancak vakum kanallı transistörlerde flamana veya sıcak katoda ihtiyaç yok. Eğer komponent yeterince küçük yapılabilirse elektrik alanı kaynak (source) ucundan alan yayılımı (field emission) süreci ile elektron çekebilecek. Böylece transistörlerde enerji verimliliği sağlayacak yeni bir yöntem elde edilmiş olacak.
Makalenin tamamı için tıklayınız.
