Das kleinste „Tor“ der Welt

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

Kleiner als Silizium erlaubt ist das Gate eines neuen Weltrekord-Transistors. Mit einem Schmiermittel als Halbleiter hält er damit trotzdem erfolgreich die Quantenmechanik in Schach.

Erst Feldeffekttransistoren erlaubten die hochkomplexen, integrierten Schaltungen, ohne die unsere „elektronische“ Welt nicht möglich wäre. Dabei ist das Prinzip denkbar einfach. Der Strom zwischen den beiden Anschlüssen „Drain“ und „Source“ wird durch eine Spannung zwischen den beiden Anschlüssen Gate und Source gesteuert.

Das funktioniert ziemlich gut, selbst bei winzigsten Abmessungen. Wenn die allerdings zu klein werden – etwa ab einer Gate-Dicke von 5 Nanometern – beginnen quantenmechanische Effekte das klassische Verhalten der Transistoren empfindlich zu stören. Die Elektronen „tunneln“ sich dann auch im ausgeschalteten Zustand durch den vom Gate eigentlich versperrten Kanal.

Tunneln beschreibt dabei die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Elektron eine vorhandene Barriere durchqueren kann, obwohl seine Energie niedriger als die Energiebarriere ist. Es landet sozusagen auf der anderen Seite eines Hügels, indem es ihn einfach „durchtunnelt“, anstatt mühsam über ihn zu klettern. Der Vorgang kann nur quantenmechanisch erklärt werden, indem man dem Elektron neben seinen Teilcheneigenschaften auch Welleneigenschaften zuschreibt.

Übrigens würde gemäß der Vorstellung selbst der Gang durch eine Hauswand nicht notwendigerweise scheitern. Denn mit einer Wahrscheinlichkeit ungleich Null kann sich jedes einzelne Teilchen des menschlichen Körpers durch die Potentialbarrieren der Wand „tunneln. Die Wahrscheinlichkeit ist nur unvorstellbar klein, wie sicher so mancher schon schmerzhaft erfahren hat.

Molybdän-Disulfid contra Quantenmechanik

Nun scheinen Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory der Quantenmechanik trotzen zu können. Ihr Transistor mit einem ein nanometer-breitem Gate – ein menschliches Haar ist 50.000 Mal dicker – lässt sich einfach gesagt „ausschalten“. Klingt nicht besonders spannend, könnte aber irgendwann einmal erhebliche Auswirkungen haben.

Kleinere Gates bedeuten mehr Transistoren auf gleichem Raum, weniger Energieverbrauch, höhere Schaltfrequenz – also alles was Elektronik dieser Tage sein soll: kleiner, schneller, energieeffizienter.

Dazu musste Silizium allerdings anderen Materialien weichen. Als Grundmaterial kam das als Schmierstoff bekannte Molybdän-Disulfid (MoS2) zum Einsatz und das Gate bildeten Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Im MoS2 – dem auch ein großes Potential für LEDs, Laser und Solarzellen nachgesagt wird – bewegen sich Elektronen “schwerfälliger” als im Silizium. Das begrenzt zwar die Performance, behindert aber auch das „Tunneln“, was zu einem um mehr als zwei Größenordnungen geringeren Leck-Strom als beim Silizium-Gegenstück führt. Dazu ist es als 2D-Material wie etwa Graphen nur ein Atom dick. Für weiteres Miniaturisierungspotential wäre also gesorgt.

Noch handelt es sich bei den Transistoren mit Molybdän-Disulfid nur um Prototypen. Nichts beweist, dass sie Seite an Seite mit Milliarden von Zwillingen auf einem Prozessor funktionieren. Ganz zu schweigen, von dem Berg an Problemen, der einer zukünftigen Massenherstellung im Wege steht. Und der dürfte nur schwer zu „durchtunneln“ sein. Aber war nicht auch mittlerweile Alltagselektronisches vor nicht allzu langer Zeit unwahrscheinlich, wenn nicht gar unmöglich.

 

electronicalogo rand rot rechts dünn
Erfahren Sie alles über Transistoren und Mikroprozessoren in den Hallen A3-A6.

FET mit Mini-Gate (Bild: Berkley Lab)

Im Molybdän-Disulfid (MoS2) bewegen sich Elektronen “schwerfälliger” als im Silizium. (Bild: Berkley Lab).