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Energieeffizienz durch Quantenmechanik

Forschungszentrum Jülich stellt Inverter aus TFETs vor

4. Dezember 2013, 14:11 Uhr | Engelbert Hopf

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben im Rahmen des Projekts UltraLowPow einen Inverter auf Basis von Tunnel-Feldeffekt-Transistoren (TFETs) entwickelt.

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Präsentieren werden die Forscher ihren Inverter, der mit einer Betriebsspannung von 0,25 V auskommt, in Kürze auf dem International Electron Devices Meeting, kurz IEDM 2013, in Washington DC. Aufbauend auf die realisierte Logikschaltung, werden die Forscher gemeinsam mit Partnern des Instituts für Halbleitertechnik der RWTH Aachen und des Lehrstuhls für Technische Elektronik der Technischen Universität München, im Rahmen des im Juni 2013 gestarteten Projekt UltraLowPow, als nächstes einfache Schaltungen, etwa für Speicherzellen (SRAM) und Signalverarbeitung, sowie hochempfindliche und energieeffiziente Beschleunigungs-, Druck- und Flüssigkeitssensoren entwickeln.

Vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung mit 2,34 Millionen Euro gefördert, zielt das Projekt auf verschiedene Anwendungen ab: von der Automobilelektronik über zusätzliche energieeffiziente Schaltungen in Mobilgeräten, die im Standby den Betrieb aufrechterhalten, bis hin zu intelligenten Regelungs- und Sensorsystemen.

In der klassischen Halbleiterentwicklung hatte die Betriebsspannung zuletzt seit einigen Chipgenerationen eine untere Grenze von etwa 0,7 Volt erreicht, die sich nicht weiter senken lässt, ohne dass das Schaltungsverhalten einbricht. Tunnel-Feldeffekt-Transistoren (TFETs) arbeiten dagegen noch mit Spannungen bis herunter zu 0,25 Volt. Da die Leistungsaufnahme quadratisch von der Spannung abhängt, lässt sich der Energieverbrauch so auf ein Zehntel verringern.

Ihre Ladungsträger bewegen sich in nicht »klassisch« von der Source-Elektrode in das Halbleitermaterial. Sie »tunneln« vielmehr nach quantenmechanischen Prinzipien durch die Kontaktfläche. Dies reduziert die Leckströme und führt dazu, dass TFETs deutlich empfindlicher auf kleine Spannungsschwankungen reagieren können als konventionelle Transistoren. Ihre steilere Schaltcharakteristik hilft nicht nur, Energie zu sparen. Sie ist auch eine ideale Voraussetzung zum Bau hochperformanter Schaltungen sowie hochempfindlicher Sensoren.

»Anstelle eines Standard-Transistors werden wir in UltraLowPow verschiedene Typen von TFETs entwickeln, die auf unterschiedliche Anforderungen und Hersteller zugeschnitten sind«, erläutert Projektleiter Prof. Siegfried Mantl aus dem Bereich Halbleiter-Nanoelektronik des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-9). »Für leistungsstärkere Transistoren verfolgen wir eine ganze Palette verschiedener Materialien für neuartige Architekturen, bei denen Nanodrähte mit einem Durchmesser von rund 10 Nanometer zum Einsatz kommen. Darüber hinaus sind aber auch einfache, planare Transistoren und Sensoren geplant. Diese kommen schon mit einem erheblich geringeren Herstellungsaufwand aus und sind daher bereits für mittelständische Unternehmen attraktiv.«