Ein weiteres fehlendes Bauteil könnte die Elektronik revolutionieren

Bereits 1971 begann Leon Chua, ein junger Elektronikingenieur an der University of California, Berkeley, mit der Arbeit an einem grundlegenden mathematischen Rahmenwerk für die Elektronik. Seine Theorie basierte auf den Beziehungen zwischen Ladung, Strom, magnetischem Fluss und Spannung und der Art und Weise, wie diese elektromagnetischen Größen variieren, wenn sie die grundlegenden Schaltungselemente von Widerständen, Kondensatoren und Induktoren passieren.

Ein Strom, der durch einen Widerstand fließt, erzeugt eine Spannung. Bei einer bestimmten Spannung speichert ein Kondensator eine bestimmte Ladungsmenge. Und ein Strom, der durch einen Induktor fließt, erzeugt einen magnetischen Fluss. Aber Chua sah, dass etwas fehlte – eine Beziehung zwischen Ladung und magnetischem Fluss.

Er postulierte die Existenz eines Geräts zur Verknüpfung dieser beiden Größen, das er Memristor nannte, aber er dachte mehr als 30 Jahre lang wenig darüber nach. Dann, im Jahr 2004, gaben Forscher in den Labors von Hewlett-Packard bekannt, dass sie einen Memristor entwickelt hatten und dass er die außergewöhnliche Fähigkeit hatte, Informationen ohne Strom zu speichern. Es war wie ein Widerstand mit Gedächtnis.

Seitdem haben dieses Team und andere Memristoren in Chips gepackt, um unter anderem zu simulieren, wie das menschliche Gehirn Informationen verarbeitet. Und andere Forscher haben mit der Suche nach Memkondensatoren und Memminduktoren begonnen, analogen Versionen der anderen passiven elektronischen Komponenten.

Diese Geschichte wirft eine interessante Frage auf. Gibt es noch andere elektronische Elemente zu entdecken, und wenn ja, was würden sie tun?

Heute erhalten wir dank der Arbeit von Sungsik Lee von der Pusan ​​National University in Südkorea eine Antwort. Während sich Chua auf passive elektronische Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren konzentrierte, hat Lee die Eigenschaften aktiver elektronischer Komponenten wie Transistoren untersucht. Er sagt, er habe eine weitere Lücke identifiziert – und dass das fehlende Gerät, wenn es gebaut werden kann, tiefgreifende Konsequenzen für die Zukunft der Elektronik haben wird.

Lees Argumentation konzentriert sich auf das prominenteste aktive elektronische Gerät: den Transistor. Es hat einen Ausgang, der durch einen Strom- oder Spannungseingang geschaltet werden kann. Mit anderen Worten, ein Transistor ist eine Möglichkeit, Strom ein- und auszuschalten.

Aber es gibt kein vergleichbares Gerät, um eine Spannung zu schalten. Er macht sich daran, ein solches Gerät zu beschreiben.

Transistoren nehmen ein Eingangssignal und übertragen es an den Stromausgang, ähnlich wie ein variabler Widerstand. Daher der Name – eine Kombination aus Transfer und Widerstand. Im Gegensatz dazu würde das Gerät, das er sich vorstellt, ein Eingangssignal in einen Spannungsausgang umwandeln, wie ein Drehkondensator. Also nennt Lee es einen Trancitor.

Er fährt fort, Vorschläge zu machen, wie es verwendet werden könnte. Eine offensichtliche Anwendung besteht darin, einen Trancitor und einen Transistor zu koppeln, um Schaltungen zu erstellen, die viel einfacher und energieeffizienter sind als bestehende Designs. Zum Beispiel zeigt Lee, wie es möglich wäre, einen einfachen Spannungsverstärker mit einem einzigen Trancitor und einem einzigen Transistor zu schaffen. Im Gegensatz dazu benötigt eine herkömmliche Version dieser Schaltung vier Transistoren.

Lee simuliert eine solche Schaltung weiter und sagt, das Ergebnis sei kleiner, weniger stromhungrig und schneller als herkömmliche Nur-Transistor-Schaltungen.

Das hat erhebliche Auswirkungen auf elektronische Geräte. Transistor-Trancitor-Schaltungen würden deutlich weniger Platz beanspruchen, weniger Strom verbrauchen und mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten als herkömmliche Schaltungen. Trancitors würden ein neues Paradigma der Elektronik bringen, sagt Lee.

Aber es gibt eine wichtige unbeantwortete Frage – wie man einen Trancitor baut.

Laut Lee könnte sein neues Gerät funktionieren, indem es den bekannten Hall-Effekt nutzt, der eine Spannung über einem Leiter erzeugt, wenn ein Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zum Strom angelegt wird. Aber wie dies in CMOS-kompatiblen Schaltkreisen im Nanometerbereich ausgenutzt werden könnte, ist nicht klar.

Die heutigen elektronischen Schaltungen wurden über Jahrzehnte optimiert, so dass jedes neue Gerät Nachholbedarf hätte.

Ein Grund, warum es so lange gedauert hat, Chuas Memristor zu finden, war, dass die Materialeigenschaften, die es ihm ermöglichen, zu funktionieren, nur auf atomarer Ebene manipuliert werden können. Bis vor relativ kurzer Zeit gab es also keine Möglichkeit, eine effizient herzustellen.

Der Hall-Effekt funktioniert sicherlich auf der Skala subatomarer Ladungsträger. Alles, was wir jetzt brauchen, ist ein unternehmungslustiger Elektronikingenieur, der einen Weg findet, einen Trancitor zu bauen und einzusetzen.

Ref: arxiv.org/abs/1805.05842 : Ein fehlendes aktives Gerät – Trancitor für ein neues Paradigma der Elektronik

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