The Spacistor A New Kind of Semiconductor Amplifier

SPACISTOR — YENİ BİR TÜRDEN YARIİLETKEN YÜKSELTEÇ

Neil D. Macdonald
New York, N.Y.

I. Yüz Kat Daha Hızlı Hesaplama mı?

16 Temmuz’da Boulder, Colorado’da, Raytheon Manufacturing Co.’dan Dr. Herman Statz, Dr. Robert Pucel ve Bay Conrad Lanza, Institute of Radio Engineers ile American Institute of Electrical Engineers’in yarıiletkenler oturumunda bir bildiri sundular. Bildiri, spacistor adını verdikleri bir aygıtı duyurdu. Bu ad, daha önce bir transistör olan bir yapıda yüksek elektriksel uzay yükünün oluşumuna dayanan yeni bir etkiden iyi şekilde yararlanan bir yarıiletken yükseltme ve anahtarlama aygıtını ifade etmektedir. Spacistor sözcüğü tescilli bir ad değil, önerilen bilimsel bir terimdir.

Yaklaşık sekiz ila on laboratuvar modeli spacistor yapılmıştır ve çalışmaktadır; ayrıca spacistorların bilgisayarlar da dahil olmak üzere elektronik donanıma yeni yetenekler kazandırarak birçok yeni uygulamada çalışacağına dair güçlü kanıtlar vardır.

Mevcut modeller yalnızca yaklaşık 800 kilohertz’e kadar test edilmiş olmasına rağmen, spacistorların 100 ila 10.000 megahertz’e kadar olan frekanslarda çalışacağına dair çok güçlü kanıtlar vardır. Aygıtın kendisi ve aygıtın kuramı birlikte, hesaplama amaçlı bilgisayarlardaki darbe hızlarının saniyede bir milyon darbeden saniyede 1000 milyon darbeye çıkarılabileceğini düşündürmektedir. Bu vaadin yalnızca bir kısmı bile gerçekleşirse, bilgisayarlar için hızda çarpıcı bir artışın eşiğinde olunduğu anlamına gelir.

Spacistor, elektronik enerjinin yükseltilmesi sanatında neredeyse kesinlikle ileriye doğru bir adımdır. Transistörün ve vakum tüpünün birçok en iyi özelliğini bir araya getirmesi beklenmektedir. Bir transistör kadar küçüktür ve aynı minyatür güç gereksinimleriyle çalışır; bu gereksinimler vakum tüplerininkinden çok daha düşüktür. Spacistorun, transistörlerin ulaşabileceğinden oldukça daha yüksek olan 10.000 megahertz’e kadar frekanslarda yükseltme yapacağı öngörülmektedir.

Ayrıca spacistorlar, transistörler için uygun olmayan malzemelerden yapılabilir ve günümüzün germanyum ve silikon transistörlerinin çalışma sıcaklıklarının iki katından fazla olan, 500 santigrat dereceye kadar ya da daha yüksek sıcaklıklarda çalışmaları beklenmektedir.

Spacistor, iki yıllık yoğun araştırmanın sonucudur ve ticari olarak kullanılabilir hale gelmeden önce üç ila beş yıl daha araştırma ve geliştirme gerektirebilir.

II. Vakum Tüpü, Transistör ve Spacistorun Karşılaştırılması

Bir vakum tüpünde, katot bir flaman ısıtıcısı ile ısıtılır. Negatif katottan çok sayıda elektron kaynarcasına ayrılır ve pozitif plakaya doğru çekilir. Yükseltilmek istenen küçük dalgalı sinyal, negatif ızgaraya uygulanır. Bu, ızgara geriliminin buna uygun şekilde dalgalanmasına neden olur. Izgara ne kadar negatifse, katot ile plaka arasındaki akım o kadar küçüktür; ızgara ne kadar pozitifse, akım o kadar büyüktür.

Böylece ızgara bir vana ya da perde gibi davranır; çok küçük bir sinyal, görece büyük bir akımı denetler. Plakadaki büyük çıkış sinyali, küçük giriş sinyalinin yükseltilmiş karşılığıdır. Bazı vakum tüplerinde, gerilimlerin seçimi ve diğer etkenler birkaç binlik bir sinyal kazancı sağlayabilir.

Topraklanmış bazlı n-p-n olarak adlandırılan tipte tipik bir transistörde, yayıcıdan baz temasına sabit bir negatif gerilim uygulanır ve baz temasından kolektöre daha büyük bir sabit negatif gerilim uygulanır. Bu, bölgelerin birbirine çok yakın olması nedeniyle, yayıcıdan baz bölgesine ve baz bölgesinden kolektöre önemli akımların akmasına neden olur.

(Metin sonraki sayfalarda devam etmektedir.)

Binoküler mikroskop, ayarlanırken spacistora giden sol bıyık ucunun (enjektör) konumunu gösterir. Spacistor, ışık tüpünün üzerine ışık verebildiği binoküler altında neredeyse görülebilir.

Yayıcı ile kolektörün uzamsal yakınlığı öyledir ki, baz temasından kolektöre giden akım ihmal edilebilir düzeydedir.

Artık, dalgalı ya da anahtarlama sinyali olarak küçük bir negatif gerilim, yayıcıdan baz temasına giden devreye uygulanabilir; bu sinyal, baz temasından kolektöre giden çok daha büyük ölçüde çoğaltılmış bir dalgalı ya da anahtarlama sinyali üretir. Yayıcıdan baz bölgesine giren giriş akımı, baz bölgesinden kolektöre giden akımla hemen hemen aynı olduğu halde, yayıcıdan baz bölgesine olan direnç, baz bölgesinden kolektöre olan direncin yalnızca bir kesri (örneğin 1/30 ila 1/100) olduğundan, 30 ila 100 katlık bir güç kazancı elde edilir. Bu şekilde transistör yükseltme yapar.

Tipik bir spacistorda (şemaya bakınız), bazdan kolektöre yük üzerinden geçen bir devrede, yüksek bir elektrik alan oluşturacak ancak neredeyse hiç akım oluşturmayacak biçimde yüksek ve sabit bir negatif gerilim uygulanır. Ardından, enjektörden uzay-yükü bölgesine giden bir devrede sabit bir negatif gerilim uygulanır. Bu, elektronların yüksek elektrik alanlı bölgeye girmesine ve kolektöre son derece hızlı bir şekilde akmasına neden olur. Bu akım (elektron akışı), modülatörden uzay-yükü bölgesine giden bir devrede dalgalı ya da anahtarlama sinyali olarak negatif bir gerilim uygulanmasıyla modüle edilir. Gerilimlerin seçimi, enjektörden kolektöre giden daha büyük akımın, modülatörden kolektöre giden daha küçük akımın 3000 katı olmasını sağlayabilir ve kazanç katsayısı önemli ölçüde artabilir. Bu şekilde spacistor yükseltme yapar.

III. Teknik Açıklama

Spacistorun tasarımının amacı, yük taşıyıcılarının (elektronlar veya “delikler”) baz bölgesi boyunca yavaş difüzyonunu ortadan kaldırarak transistörün frekans sınırlamalarını aşmaktı. Bir transistörün baz bölgesi boyunca taşıyıcı hareketi yavaştır; çünkü bu bölge özünde bir elektrik alanından yoksundur. Difüzyonla yapılmış bir transistörün baz bölgesinde yerleşik bir alan bulunduğu doğrudur, ancak bu alanın şiddeti ciddi biçimde sınırlıdır. Buna karşılık, çok daha yüksek alan şiddetleri ters polarmalı birleşimlerdeki uzay-yük bölgelerinde bulunur; gerçekte, bir elektrik alanının şiddeti yalnızca yarı iletken gövdenin kırılma gerilimi ile sınırlıdır. Spacistor, bu yüksek alanlardan yararlanarak yük taşıyıcılarını hızlandırır; böylece geçiş süreleri büyük ölçüde kısaltılır.

Tipik bir deneysel spacistor Şekil 1’de şematik olarak gösterilmiştir. Yarı iletken gövde, sc uzay-yük bölgesine sahip ters polarmalı bir p-n birleşimidir. Enjektör I ve modülatör M giriş noktalarıdır; baz B ve kolektör C çıkış noktalarıdır.

Tipik Bir Deneysel Spacistorun ve Harici Devrelerin Diyagramı

Tanımlar: - B, baz - I, enjektör - M, modülatör - C, kolektör - p, pozitif bölge - n, negatif bölge - sc, uzay-yük bölgesi - B1, B2, B3, birinci, ikinci ve üçüncü pil

Enjektör I, B1 pili aracılığıyla baz B’ye bağlanmıştır; bu bağlantı, I’yi alttaki uzay-yük bölgesi sc’ye göre negatif polarmalar. (Ancak I noktasının potansiyelinin yine de B noktasına göre pozitif olduğu unutulmamalıdır.) Elektronlar I’den sc içine salınır ve salım uzay-yük sınırlıdır.

Modülatör M, yarı iletken gövdenin n bölgesi ile enjektör I arasındaki bir noktada uzay-yük bölgesi sc’ye bağlanmıştır. M, B2 pili aracılığıyla sc’ye göre negatif polarmalandığından, yarı iletken gövdenin p bölgesinden sc’ye delikler akamaz; dolayısıyla M pratik olarak hiç akım çekmez. (Bununla birlikte M’deki potansiyelin yine de B ve I’ye göre pozitif olduğu unutulmamalıdır.)

Modülatör M’nin iki işlevi vardır. Birincisi, doğru akım polarması üzerine bir alternatif akım gerilimi bindirerek enjektör I’nin salımını değiştirmesidir. M tarafından üretilen alan, uzay-yük bölgesinin sınırlarına kadar tüm bölgeye nüfuz eder. İkincisi, modülatör M, enjektör I’nin polarmasını baz B ile kolektör C arasına uygulanan gerilimden pratik olarak bağımsız hâle getirir; böylece, 0,3 miliamperlik enjekte edilen bir akım için 30 megaohm’un üzerinde olacak biçimde istenen yüksek çıkış empedansı korunur.

Güncel deneysel spacistorların iletkenlik aktarımı (gm), iyi vakum tüplerininkinin oldukça altındadır; ancak daha ileri geliştirmelerle karşılaştırılabilir değerlere ulaşılması beklenmektedir.

Düşük frekanslarda deneysel spacistorlarla 70 dB’lik bir düşük frekans güç kazancı şimdiden elde edilmiştir.

Daha yüksek frekanslarda da transistörlere karşı benzer bir üstünlüğün sağlanması beklenmektedir. Mevcut 30 megaohmluk giriş iyileştirildiğinde, güç kazancının o denli büyük olması beklenmektedir ki, vakum tüpü durumunda olduğu gibi gerilim kazancından söz etmek daha uygun olacaktır. 3000’lik bir gerilim kazancı şimdiden elde edilmiştir.

Geniş uzay-yük bölgesi nedeniyle çıkış kapasitansı son derece küçüktür ve 1 mikromikrofaradın altındaki değerler tamamen uygulanabilir görünmektedir. Güncel spacistorlarda elde edilen görece düşük iletkenlik aktarımı değerleriyle bile, uzay-yük bölgelerinden geçiş süresinin yaklaşık tersine karşılık gelen frekanslarda, yani 1000 megacycle’ın üzerindeki frekanslarda çalışacak ayarlı yükselteçlerin yapılması beklenmektedir.

Giriş ve çıkış, vakum tüpünde olduğu gibi yüksek derecede ayrılmıştır; bu, çok kademeli devrelerin tasarımında yararlı bir özelliktir.

Spacistorun bir diğer önemli avantajı, çalışmasının yük taşıyıcısının “ömür” süresinden pratik olarak bağımsız olmasıdır. Bu nedenle, yalnızca germanyum ve silikonun değil, kısa ömürleri transistörler için uygun olmayan diğer yarı iletken malzemelerin de kullanılması mümkün görünmektedir. Silisyum karbür ve geniş enerji aralıklarına sahip diğer malzemeler, yüksek sıcaklık spacistorları için umut verici seçeneklerdir.

Vakum Tüpü, Transistör ve Spacistorun Karşılaştırmalı Özellikleri