Halbleiter: Winzige Elektronenröhre für robustere Chips

Die Vakuumröhre, heute meist nur noch in speziellen Audioverstärkern eingesetzt, soll durch Chips zurückkehren. Nasa-Forscher haben das Bauteil so weit verkleinert, dass es in Halbleitern eingesetzt werden kann.

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Röhren in einem Hifi-Verstärker für 20.000 US-Dollar
Röhren in einem Hifi-Verstärker für 20.000 US-Dollar (Bild: Rick Wilking/Reuters)

Dass sie für manche Menschen besser klingen als Transistorverstärker ist nicht der Grund, warum Wissenschaftler der Nasa die Elektronenröhre in Chips einbauen wollen. Vor zehn Jahren war ein Röhrenverstärker schon auf einem AOpen-Mainboard zu finden, er diente aber nicht dem Zweck, den die Weltraumforscher verfolgen: Chips gegen Strahlung zu schützen.

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Das ist bei modernen Halbleitern durch ihre sehr feinen Strukturen sehr aufwendig, eine Röhre, deren aktive Elemente von einem Vakuum umgeben sind, ist dabei wesentlich weniger anfällig. Zwei Probleme stellen sich aber bei dem Einsatz des Bauelements: Es ist vergleichsweise riesig und braucht sehr hohe Spannungen. Bei Hifi-Verstärkern oder Geräten für verzerrten E-Gitarrensound sind es oft mehrere tausend Volt.

Das ist für die Integration in einen Halbleiter viel zu viel, und daher haben die Nasa-Forscher einen Prototyp einer Röhre entwickelt, der nur 150 Nanometer lang ist. Zum Vergleich: Auch Pentium 4 und Athlon wurden um das Jahr 2000 herum in vergleichbaren Strukturbreiten hergestellt. Allerdings nimmt die Miniröhre noch 10 Volt auf, was auch für solche Fertigungsverfahren zu viel ist. Die Wissenschaftler sind zuversichtlich, die Spannung künftig auf 1 Volt senken zu können.

Neben Anwendungen im Weltraum soll die Technik auch in der Medizintechnik zum Einsatz kommen und natürlich beim Militär. Dort wird schon seit den 1970er Jahren mit Röhren als Ersatz für Halbleiter experimentiert, was sich auch bei der Desertion eines russischen Piloten mit dem Kampfflugzeug 1976 Mig-25 zeigte: Die Elektronik des von US-Behörden zerlegten Flugzeugs bestand zum größten Teil aus Röhren. Eine bisher nicht endgültig belegte Vermutung für den Hintergrund ist, dass die Sowjetunion den Jet unanfällig für den elektromagnetischen Impuls (EMP) einer Atomexplosion machen wollte.

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Die Wissenschaftler vom Ames-Forschungszentrum der Nasa haben ihre Ergebnisse in den Applied Physics Letters veröffentlicht.

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