Mikroelektronik: Wie eine Vakuumröhre - nur klein, stromsparend und schnell

Freie Elektronen mit Licht statt Glühwendeln: Eine robustere und möglicherweise schnellere Alternative zum Transistor trickst sogar Einstein aus.

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Das neue Gerät im Elektronenmikroskop
Das neue Gerät im Elektronenmikroskop (Bild: Nature)

Ingenieure der University of California in San Diego haben ein neues Gerät entwickelt, das alle Funktionen eines Transistors erfüllen kann, aber kein Halbleitermaterial benötigt. Bei der Konstruktion des Geräts haben sie sich am Prinzip der Vakuumröhre orientiert, es aber entscheidend verbessert. Die Elektronen werden nicht mehr von beheizten Glühwendeln freigesetzt, sondern mit einer Kombination aus elektrischen Feldern und stromsparenden Laserdioden.

Inhalt:
  1. Mikroelektronik: Wie eine Vakuumröhre - nur klein, stromsparend und schnell
  2. Das Licht bringt Schwung in die Elektronen

Anders als bei Transistoren findet der Schaltvorgang in einer Vakuumröhre nicht in einem Halbleitermaterial statt. Das hat den Vorteil, dass sich die Elektronen viel freier bewegen können, was höhere Schaltgeschwindigkeiten als in Transistoren verspricht. Die Geräte wären auch viel resistenter gegen Überspannung oder Strahlung im Weltraum und könnten auch höhere Leistungen als vergleichbare Transistoren aushalten. Bisher scheiterten Konzepte für solche miniaturisierten Elektronenröhren vor allem am Verschleiß und der Inkompatibilität mit herkömmlicher Halbleitertechnik.

Das Gerät kann mit lithographischen Prozessen hergestellt werden, wie sie aus der Halbleitertechnik bekannt sind. So könnte es direkt in die Elektronik integriert werden, wo seine Eigenschaften benötigt werden. Denn trotz aller Miniaturisierung haben diese sogenannten "Photoemission-based microelectronic devices" immer noch eine Größe von etwas mehr als 20 Mikrometern und sind damit ähnlich groß wie die Transistoren der frühen 1970er Jahre.

Freie Elektronen mit Licht statt Glühwendeln

Wie in einer Elektronenröhre, müssen auch in dem neuen Gerät zunächst freie Elektronen erzeugt werden. Dazu mussten sie bisher mit viel Energie dem Material entrissen werden. In der klassischen Röhre wurden dazu Glühwendeln auf fast 1.000 Grad Celsius erhitzt. Das führt langfristig zu Schäden und damit zu Verschleiß. Um diesen Verschleiß zu vermeiden, musste eine möglichst sanfte Methode gefunden werden, um Elektronen aus dem Material zu befreien. Dazu kombinierten die Ingenieure zwei Methoden - die Photoemission durch infrarotes Laserlicht und die Feldemission durch starke elektrische Felder.

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Elektronen können durch sehr energiereiche Photonen von ultraviolettem Licht direkt aus einer Metalloberfläche gelöst werden. Sie geben den Elektronen gerade genug Energie, um die Kräfte zu überwinden, die sie in dem Metall halten. Photonen mit zu wenig Energie, wie sichtbares oder infrarotes Licht, können das nicht. Das ist der sogenannte photoelektrische Effekt. Albert Einstein hat durch seine Erklärung des Effekts 1905 nachgewiesen, dass Licht aus einzelnen Teilchen, den Photonen, besteht. Dafür bekam er seinen Nobelpreis in Physik.

Leider gibt es noch keine kleine und effiziente Energiequelle, die Licht mit ausreichend energiereichen Photonen erzeugen kann. Dabei könnten die Elektronen nicht nur von einzelnen Photonen in einem Schritt aus der Oberfläche gelöst werden, sondern auch von mehreren Photonen, die zusammen genug Energie dafür haben.

Dabei dürfen die Elektronen aber zwischenzeitlich nicht ihre Energie verlieren. Das tun sie aber sehr schnell und so müssten sehr viele Photonen in sehr kurzer Zeit auf die Elektronen in der Metallschicht treffen, um sie herauszulösen. Mit einem Infrarotlaser wären die dafür nötigen Leistungsdichten allerdings titanisch. Auf einer einfachen Oberfläche würden etwa eine Billion Watt pro Quadratzentimeter benötigt. Aber das lässt sich dank der Physik deutlich verbessern.

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Das Licht bringt Schwung in die Elektronen 
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Ach 14. Nov 2016

Fein und Cremig weil: ein Gitarrenverzerrer entspricht ja einer extremen Übersteuerung...

FreiGeistler 14. Nov 2016

Eine Laserdiode ist ein Halbleiterlaser. Also - doch, basiert auf Halbleitern.

Pwnie2012 12. Nov 2016

Die sind nur spannungsgesteuert, weil sie so funktionieren. Nutzen tut man sie wegen der...

EhNickma 12. Nov 2016

Ja, das besondere sind folgende Faktoren: 1. Elektronen werden bereits mit wenigen Volt...

tomsen_san 11. Nov 2016

Ich glaube, 'devices' würde hier eher mit 'Bauteile' zu übersetzen sein als 'Gerät'. Es...


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