电子学T模型又要出现，新型的电子管为集装在硅片中的不再发热的显微器件。

鲍勃 · 马库斯（Bob Marcus）用极细小的镊子镊起一片比邮票小的硅片放到光学显微镜的观察台上。其初所能看到的为规律的点阵，尤如新闻照片上的均匀的中性灰部分，马库斯把放大倍数增大到500，点阵变为，锥形排布，这些细小的锥形就是发射电子的阴极，它们是正处于试验阶段的电子器件（真空电子管）的心脏。马库斯是新泽西州红河岸贝尔通讯研究室的物理学家，目前正致力于这项研究工作。

电子管确实要再次出现，这次再现将与曾一度将之淘汰的技术相结合，与其过时、老式的祖先无多大相似之处；其体积将微型化，比人类头发丝还要细100倍，它们将单个或成组地出现在纸一样薄的硅片中。

在此简要回顾一下历史会有所帮助，老式电子管发明于爱迪生时代，很像灯泡，它具有两个基本功能，作放大用与作开关用。每个电子管的内部都有灯丝和阴极，电流通过时阴极发热——由此产生的热常常从收音机的后部散发出去。烘烤阴极发射的电子在真空中加速后抵达带正电的极板——阳极。但是，电子沿此路线运行时还得越过第三个电极——控制栅极。控制栅极的电位决定电子是否可以穿越。

由此，可用控制栅极的较小的电流波动来控制从阴极到阳极的大得多的电子流动。这样就放大了微弱信号——譬如来自天线的信号，从而实现收音。当然，控制栅极也可仅用于接通和断开主电流回路，即电子管作开关用。正是这些开关电子器件和其它电路元件一同构成了数字计算机。

可电子管又恰恰不适合用在像计算机这么复杂的电子设备中。这样的使用为数很少，电子管具有严重的缺陷：耗能多，发热，易烧坏，因此，可靠性极低。ENIAC，这台宾夕法尼亚大学里的早期计算机倒是用了电子管，这是因为它是一个军事项目。这台庞大的设备有100英尺长，10英尺高，用了18，000个电子管。在它深思时，有时会使室内温度升到120°C，使一个排的士兵脱光衣服，忙着更换烧坏的管子。

1974年出现了晶体管，其结构与电子管类似——它用发射极、集电极和基极取代了阴极阳极和控制栅极——但电子不经真空，而是流过硅或锗材的固态半导体。晶体管耗能少，产生热量小，可靠性较离，同时是体积更小、速度更快的开关器件。在60年代初期，当工程师们找到把一打晶体管——今天为数百万个晶体管堆放在同一半导、体芯片或集成电路的方法时，这些优点更为显著。

在固态硅材料中移动电子一直存在着不足之处，30年的微电子学革命也没有给予解决。例如，由于电子总要从振动的原子中跳出，因而不能均匀地流过半导体。当这些原子的能量由午高热或辐射升高时，电子的发射就极不理想。例如在核反应器中就会出现这种情况。

“硅器件过热时，就停止工作”。罗伦斯 · 利物莫实验室的工程师比尔 · 奥维斯（Bill Orvis）说：“当硅器件受到少量辐射时，也会停止工作；受到大辐射时，器件就会损坏。”

电子管与此相反，它不受辐射效应的影响，除此之外，电子通过电子管的速度要比通过半导体时快10到100倍。晶体管成为较电子管更快的开关元件的唯一原因是其体积要小得多之故，就是说电子穿行的距离短——尤其当晶体管成为硅芯片上的显微元件时更是如此。由此可联想到，为何不制造显微电子管，将发射极到集电极的内部通路抽真空，使电子穿行时尤如炮弹疾驰，而不是像弹球戏通过硅迷宫似的？

40年前，一位名叫肯 · 舒尔德斯（Ken Shouldes）的自修工程师就有这一想法。大约在晶体管出现的同时——集成电路是在10年后才出现的，舒尔德斯就考虑如何把电子管小型化，并同其它电路元件相集成的问题。整个50年代和60年代初期，他的周围进行着一场微电子学革命，他一直追求自己的梦想，其初在麻省理工学院（MIT），接着又到斯坦福研究所（现在叫SRI国呼研究所）工作。到后来，舒尔德斯却放弃了电子管微电子化，并离开了SRI。一位名叫C. 斯宾特（Capp. Spindt）的同伴继续进行研究，在后二十年，斯宾特在此领域孤军作战。

过了好长时间集成电路技术才到达舒尔德斯的理想水平。60年代初期，把电路元件放在芯片中的技术过于简单、粗糙，不能制造微电子管。微电子管与老式电子管或晶体管不同的是，它必需在体积极小的情况下工作。它们的工作原理有本质的区别，微电子管工作基于场发射，有时又称冷阴极发射原理之上。

在老型和新型的电子管中，电子都得逸出发射极（或阴极），穿过真空通道到达集电极（或阳极）。但电子要逸出，必须克服金属表面的束缚力。在老式的电子管中，通过对阴极的加热使电子能量提高，跃过所谓的能级势垒。微电子管的电子逸出方法不同，它们仅需穿过隧道势垒。

隧道效应是一量子机械现象，与电子的波粒二重性相关，事实上，正是作为一种波，电子才可穿越似乎不可穿越的屏障。由量子机械原理可知：即使电子不具有足够能量跃过能级势垒，仍有从势垒层“相反”侧跃出的可能。在发射极加一电场，就可引导势垒效应电子严格沿着限定的场强线运动，在发射极和集电极之间产生电子流。

然而，电场强度必需很高：在发射极和带正电的控制电极之间，电场强度不能低于每厘米1千万伏特。微电子管的控制电极不叫基极，称为门极。这样，要保持电压为实用值，发射极与门极之间的间距须极微小，约为二分之一微米或二百万分之一英吋。

多亏了过去二十年中微电子装配技术的巨大成就，使这么小规格的管子现在可日常性雕刻在硅芯片的表面。在由斯宾特制造的器件中（目前许多其它研究机构都使用这种器件），发射极为由钼做成的锥形或锥体，1微米宽，10微米高，横向排列间隔小至三个微米，每一锥形的尖部恰好位于钼制门极的孔下，尖部愈尖，电子发射效果愈好（马库斯已可制成仅有几个原子宽的尖部）。由门极电场作用从这些尖部发射的电子经门极和1微米宽的真空射向由金或铜制的集电极。

电子从发射极到集电极所需的时间就是该电子器件的通断速度，因此，从理论上讲，微电子管的开关速度要比现存最小晶体管的速度还要快，然而，目前实用技术上仍存在一些障碍。其中最主要的是制造一个可靠的发射尖，Amoco技术公司的海因茨 · 巴斯塔（Heinz Busta）说，“由于所需的场强过高，总是处于灾祸的边缘。”电子高速猛轰集电极时，使集电极表面的原子逸出，这些原子又反过来射向发射极，发射更多的电子，此过程迅速加速，失去控制，摧毁发射极。

从事这项工作的研究者很自信能克服这些困难。“我对此着迷”，奥维斯说我们现在知道如何制造这种结构——制造发射极，并使之通电。我们正在努力进行重复性实验。一旦我们有突破性进展，就会获得成功。”

微电子管有许多潜在应用，很显然，更快的开关可产生更快更小的计算机。巴斯塔正从事这方面的应用研究。其它研究者从事使微电子管在各种苛刻环境中不被损坏仍能正常工作的研究。例如，地质学家可以将电子管用于地壳内深孔底部的测量仪器，孔内的高温会使其它常规电子仪器失效。微电子管又可用于监控喷气式飞机的性能，或用在核反应器的内部。

真空微电子技术的最早应用领域之一，并在日常生活中具有最大影响的应用方面将是用在电视显像管和计算机屏幕中，在普通的阴极射线管中，图像是靠一束电子往返扫描，电子穿过真空后轰击荧光屏背后的涂磷层获得的。由于电子束在1秒内须扫描整个屏幕60次，电子在任一图像元素——像素处的停留都太短，因此，限制了分辨率和亮度。

斯宾特预计，将来的电视显像为薄而平的屏幕，其背后为方格图案排布的场发射极。屏幕实际上就是微电子管阵列的集电极组合。每一像素的亮度取决于直接固定在其后部的发射极，像素的密度与显微发射极的密度对应，因此，图像清晰度要比现在电视的清晰度高得多，——甚至比人眼的分辨率高。

阴极射线管是老式真空技术的最后保留物，它犹如笨拙的恐龙，仍存在于数百万个家庭，占据着空间，然而，由现代真空技术制造的显像管将薄如一帧画，可挂在墙上，到那时，将现电子管的活力。

[Discover，1990年3月号］