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Das Nanogerät, das den Feldeffekttransistor ersetzen soll
Der Feldeffekttransistor ist das Arbeitspferd der Unterhaltungselektronikindustrie. Zu Milliarden in Mikrochips geschnitzt, verschwinden diese Geräte mehr oder weniger unbemerkt in praktisch jedem Haushalt, Büro und Labor in den Industrieländern.
Und doch gibt es bei Feldeffekttransistoren ein ewiges Problem, das Chipdesigner nachts wach hält – wie man sie immer kleiner macht und dabei das unerbittliche Tempo von Moores Gesetz aufrechterhält.
Feldeffekttransistoren sind bereits so winzig, dass eine weitere Verkleinerung zu einer Vielzahl von Herausforderungen führt, die keineswegs einfach zu lösen sind. Die Bauteile heutiger hochmoderner Feldeffekttransistoren sind nur wenige Nanometer lang – das sind nur wenige atomare Siliziumlagen dick.
Diese Siliziumschichten müssen mit anderen Atomen dotiert werden – bei so kleinen Bauteilen reichen schon eine Handvoll aus. Und darin liegt das Problem. Selbst kleine zufällige Schwankungen in der Anzahl der Dotierungsatome in Halbleiterkomponenten können einen großen Einfluss auf das Verhalten des Transistors haben. Wie diese Schwankungen während der Herstellung kontrolliert werden können, ist keineswegs klar. Dann gibt es das physikalische Problem, ein Gerät mit drei Anschlüssen noch kleiner zu machen.
Daher würden Chipdesigner sehr gerne ein weiteres Gerät haben, auf das sie sich verlassen könnten, um Chips zu bauen, die dichter mit immer kleineren Komponenten gepackt sind.
Heute stellen Jason Marmon von der University of North Carolina in Charlotte und ein paar Freunde ein solches Gerät in Form eines Lichteffekttransistors vor. Dies ist im Wesentlichen ein Draht, der leitet, wenn er in Licht getaucht ist, und isoliert, wenn es dunkel ist. Mit anderen Worten, es ist ein durch Licht modulierter Schalter. Das Team sagt, dass sein neues Gerät einfacher als ein Feldeffekttransistor ist und nicht auf Dotierstoffatome angewiesen ist, sodass es kleiner gemacht werden kann und dadurch das Mooresche Gesetz fortsetzt.
Zunächst etwas Hintergrund. Ein Feldeffekttransistor ist ein Gerät mit drei Anschlüssen – Source, Drain und Gate. Die Strommenge, die zwischen Source und Drain fließt, wird durch die an das Gate angelegte Spannung bestimmt. Dadurch wird der Strom ein- oder ausgeschaltet.
Ganz anders arbeitet ein Lichteffekttransistor. Es ist einfach ein Nanodraht, durch den je nach Lichtmenge Strom fließen kann. Mit Licht kann also der Strom ein- oder ausgeschaltet werden.
Dieser photoleitfähige Effekt ist nichts besonders Neues oder Besonderes. Es tritt auf, wenn die Absorption von Licht die Anzahl der Elektronen und Löcher in einem Halbleiter erhöht und dadurch seine Leitfähigkeit erhöht.
Photoleitfähige Materialien waren jedoch nie als Transistoren geeignet, da der Effekt nur nahe der Oberfläche des Materials wirkt und sich nicht über dessen gesamte Masse erstreckt. Sie machen also keine zuverlässigen Schalter.
Das ändert sich jedoch, wenn ein photoleitfähiges Material nur wenige Atomlagen dick ist. In diesem Fall tritt der photoleitende Effekt im gesamten Material auf, was es als Schalter viel robuster macht.
Die Arbeit von Marmon und Co besteht darin, das Verhalten halbleitender Nanodrähte aus Cadmium und Selen zu charakterisieren. Und sie sagen, dass diese Drähte einige nützliche und einzigartige Verhaltensweisen zeigen.
Zunächst einmal funktionieren die Drähte gut als Schalter, die sich in gewisser Weise gut mit Feldeffekttransistoren vergleichen lassen. Beispielsweise lassen sie im eingeschalteten Zustand einen millionenfach höheren Strom fließen als im ausgeschalteten Zustand, wenn sie mit einer Spannung von etwa 1,5 V betrieben werden. [Ein Lichteffekttransistor] kann die grundlegende Schaltfunktion des modernen Feldeffekttransistors mit konkurrierenden (und potenziell verbesserten) Eigenschaften, sagen Marmon und Co.
Aber sie Drähte haben auch ganz neue Fähigkeiten. Das Gerät arbeitet als optischer Verstärker und kann auch grundlegende logische Operationen ausführen, indem es zwei oder mehr Laserstrahlen anstelle von einem verwendet. Das kann ein einzelner Feldeffekttransistor nicht.
Und der große Vorteil besteht darin, dass der photoleitende Effekt, da er keine Dotierungsatome erfordert, nicht anfällig für die Probleme zufälliger Schwankungen ist, die Feldeffekttransistoren plagen. Nanodrähte sind auch einfacher als Feldeffekttransistoren und daher möglicherweise billiger und einfacher herzustellen.
Natürlich gibt es noch viele Hürden, bevor diese Geräte in integrierte Chips eingebaut oder sogar im industriellen Maßstab hergestellt werden können. Elektronikingenieure werden ein besseres Verständnis der Geräteeigenschaften in einem breiteren Spektrum von Bedingungen wünschen, insbesondere im Hinblick auf die Schaltgeschwindigkeit. Sie werden auch wissen wollen, wie es sich mit modernen Fertigungstechniken für die Massenproduktion verhält.
Dann stellt sich die Frage nach der Chiparchitektur – wie adressiert man ungefähr eine Milliarde Nanodrähte genau mit Licht und wie wirkt sich dies auf den Stromverbrauch aus?
Dennoch bieten Lichteffekttransistoren eine Reihe faszinierender Möglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf optische Verknüpfungen. Es wird interessant sein zu sehen, wohin die Forscher dies als nächstes bringen.
Ref: arxiv.org/abs/1601.04748 : Lichteffekttransistor (LET) mit mehreren unabhängigen Gating-Steuerungen für optische Logikgatter und optische Verstärkung