Transistoren unter Druck

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Das Ende der Siliziumtransistor-Schrumpfung wird schon länger vorhergesagt. Aber was kommt danach? Mit piezoelektrischen Transistoren könnte ein radikal neuer Ansatz die Halbleiter beerben und den Strombedarf von Elektronik drastisch senken.

Piezofeuerzeuge kennt wohl jeder, aber auch die Quarzuhr braucht „Piezo“, um im Takt zu bleiben. Und in Kristallmikrophonen wandelt der Piezoeffekt Töne in elektrische Signale um. Entdeckt wurde er schon 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie, der spätere Mann von Marie Curie. Sie fanden heraus, dass bei mechanischer Verformung von Kristallen auf deren Oberfläche elektrische Ladungen entstehen.

Forscher versuchen seit Jahren diese Eigenschaft für ein vollkommen neuartiges Transistorkonzept nutzbar zu machen. Sogenannte piezoelektrische Transistoren (PET) könnten eine Alternative zu den herkömmlichen Siliziumtransistoren darstellen. Diese stoßen durch zunehmende Miniaturisierung an physikalischen Grenzen. Denn Schaltspannung und Strombedarf der einzelnen Transistoren lassen sich nicht mehr weiter reduzieren. Eine weitere Verkleinerung erfordert deshalb neue Materialien und Konzepte, um steigende Verlustleistungen und einen erhöhten Energiebedarf zu verhindern.

Die piezoelektrischen Transistoren vom IBM Watson Research Center in Yorktown Heights wären in der Lage, das Problem zu lösen. Sie lassen sich trotz hoher Taktraten mit deutlich geringeren Spannungen schalten. Das Prinzip unterscheidet sich dabei grundlegend von dem herkömmlicher Halbleiter. „Piezos“ dehnen sich unter Spannung aus und ändern unter Druck ihre Leitfähigkeit.

Piezoelektrische Transistoren sparen Energie

Um die Funktion eines Transistors zu „imitieren“, bauten die IBM-Forscher ihn aus piezoelektrischen Elementen nach. Die Größenordnung lag dabei unter einem Mikrometer. Zwischen zwei Elektroden wurde ein piezoelektrischer Kondensator gesetzt, darüber kam ein Piezowiderstand.

Wird nun durch einen Spannungs­puls der Kondensator aufgeladen, so dehnt er sich ein wenig aus, und der darüber liegende Widerstand wird zusammengedrückt. Dadurch verwandelt er sich vom Isolator zum elektrischen Leiter. Und zwischen den angelegten Elektroden fließt Strom. Das gleiche Prinzip wie beim Halbleitertransistor also: Ein kleiner Steuer­strompuls steuert einen größeren Stromfluss.

Die benötigten Spannungspulse von weniger als 200 Millivolt machen dabei allerdings nur den Bruchteil der in Siliziumtransistoren benötigten Spannungen aus. Und die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Piezokondensators erlaubt prinzipiell Schaltraten von einigen Gigahertz. Das liegt im Bereich heutiger Prozessoren.

Die Forscher simulierten nach ihren praktischen Erfahrungen verschiedene Transistorarchitekturen in Größenordnungen zwischen drei und einigen hundert Nanometern. Danach lassen sich piezoelektrische Transistoren in Prozessoren mit Spannungen von 115 Millivolt bei einer Frequenz von bis zu acht Gigahertz schalten. Aber auch die Leistungselektronik in Elektroautos könnte von den PETs profitieren.

Allerdings nicht in allzu naher Zukunft. Noch hantiert man mit Prototypen, weit entfernt von der Entwicklung eines wirtschaftlichen Produktionsprozesses. Bedenkt man aber, wie viel Energie die Datenverarbeitung auf unserem Planeten verbraucht, könnte das enorme Stromsparpotential piezoelektrischer Transistoren weitere Forscher und Gelder anlocken.