Äußerst flexibel

Wiener Forscher bauen „Chamäleon-Transistor“

Zusätzlich zur gewöhnlichen Gate-Elektrode (rot) hat der neue Transistor noch eine Steuerelektrode (blau eingefärbt, unten).

(Bild: TU Wien)

Transistoren, einer der wichtigsten Bestandteile elektronischer Schaltungen, sind in ihrer Funktionalität recht einfach gestrickt und tun immer dasselbe, nämlich Strom schalten, steuern oder verstärken. Forscher der TU Wien haben nun einen „Chamäleon-Transistor“ vorgestellt, der je nach Bedarf ganz unterschiedliche Aufgaben übernehmen kann und daher wohl der „flexibelste Transistor der Welt“ ist.

Transistoren basieren weitgehend auf Silizium und bestehen üblicherweise aus zwei Elektroden, zwischen denen Strom fließen kann - und zwar abhängig davon, ob an einer dritten Elektrode eine Spannung angelegt wird oder nicht. Der Stromfluss hängt dabei davon ab, mit welchem Element das Silizium eines Transistors absichtlich verunreinigt (dotiert) wird: Entweder fließen negative Ladungsträger in Form frei beweglicher Elektronen (N-Typ-Transistoren), oder es bewegen sich positive Ladungsträger in Form von „Löchern“ durch das Material, also fehlende Elektronen der Atombindungen (P-Typ-Transistoren). Für elektronische Schaltungen braucht man beide Transistoren-Typen.

Der vom Team um Walter Weber am Institut für Festkörperelektronik der TU Wien entwickelte neuartige Transistor verfügt über eine zusätzliche Steuerelektrode. Dabei wurden die zwei Metallelektroden, durch die der zu steuernde Hauptstrom fließt, mit einem extrem dünnen Draht aus Germanium verbunden. Über diesem Germaniumsegment findet sich die auch in herkömmlichen Transistoren vorkommende Gate-Elektrode. Zusätzlich wurde auf den Grenzflächen zwischen Germanium und Metall eine weitere Steuerelektrode platziert. „Mit ihr können wir die Funktion des Transistors dynamisch programmieren“, erklärte Masiar Sistani aus Webers Team.

„Jene Effekte, die im herkömmlichen Transistor die Dotierung mit verschiedenen Materialien hervorrufen, machen wir elektrostatisch, indem wir die Steuerelektrode wie ein Ventil verwenden und nur Elektronen oder nur Löcher durchlassen“, erklärte Sistani gegenüber der APA. Wofür also bisher jeweils ein bestimmter Transistor-Typ notwendig war, lässt sich nun in einem einzigen Bauteil realisieren. Möglich wird das durch Ausnutzung einer Eigenschaft von Germanium: Legt man Spannung an die Steuerelektrode, steigt zunächst der Stromfluss im Germanium an. Ab einer gewissen Schwelle sinkt er aber wieder ab. „Bei welcher Spannung diese Schwelle liegt, können wir mithilfe der Steuerelektrode einstellen“, so Sistani.

Walter Weber, Masiar Sistani und Raphael Böckle (v.l.n.r.)

(Bild: TU Wien)

Weniger Transistoren als bisher nötig
Mussten bisher für eine elektronische Schaltung die unterschiedlichen Transistortypen verbunden werden, können nun die verschiedenen Freiheitsgrade der neuen Transistoren genutzt werden. „Wir können durch die Chamäleon-artigen Eigenschaften unserer Transistoren mit ein und derselben Hardware verschiedene Schaltungen möglich machen“, so Weber. „Man könnte sagen, wir transferieren einen Teil der Software in die Hardware hinein.“ Mittels Programmierung könne man das Design der Schaltung bestimmen und müsse es nicht schon im Vorhinein im Produktionsprozess fixieren.

Durch die Adaptierbarkeit der Transistoren lassen sich Schaltungen sehr kompakt, energieeffizient und schnell aufbauen. „Arithmetische Rechenoperationen, für die man bisher 160 Transistoren benötigt hat, sind so mit 24 unserer universellen Transistoren möglich“, betonte der Professor für Nanoelektronik.

Schneller, energieeffizienter, kleiner und damit billiger
Dies eröffnet viele neue Anwendungsmöglichkeiten. So könne man etwa als Hersteller Codes in der Schaltung verstecken, die eine Kopie deutlich erschweren würden. Interessant seien auch Anwendungen im Bereich künstlicher Intelligenz. „Für diese sind herkömmliche Transistoren, die nur mit 0 und 1 arbeiten, nicht ideal“, so Weber. Die KI benötige vielmehr Transistoren mit einem höheren Freiheitsgrad, die mehr Zustände als nur 0 und 1 ermöglichen. Zudem könne man - so wie sich im Gehirn die Verschaltungen zwischen den Nervenzellen verändern - mit den neuen Transistoren Verschaltungen direkt am Chip gezielt verändern.

„Das schöne ist, dass man genau die gleichen Materialien verwenden kann wie bisher in der Halbleiterindustrie“, hält Weber einen raschen industriellen Einsatz der neuen Technologie für möglich. Es seien auch keine völlig neuen Herstellungsverfahren notwendig. „Wir haben jetzt gezeigt, dass es geht, müssen aber noch ein paar Hebel stellen, dass die Eigenschaften nicht nur funktionieren, sondern auch besser werden“, sagte Weber. Mit der Industrie werde bereits kooperiert, die sich naturgemäß für schnellere, energieeffizientere, kleinere und damit billigere Hardware, die die neuartigen Transistoren versprechen, interessiert.