News: Elektronen im Gänsemarsch
Miniaturen sind gefragt in der Welt elektronischer Bauteile. Inzwischen experimentieren einige Forschergruppen schon mit Transistoren, die jeweils nur ein Elektron zur Zeit durchlassen - indem es durch alle Barrieren hindurchtunneln muss.
Transistoren sind billig, robust und in unserer technologisierten Welt weit verbreitet. Zudem funktionieren sie nach einem recht einfachen Prinzip: Elektronen fließen in einem Leiter zum Transistor, in dem sie auf ein isolierendes Hindernis stoßen, das sie nicht weiterlässt. Nur wenn die Barriere von der Seite unter eine zusätzliche Spannung gesetzt wird, gibt sie auf, und der Strom darf passieren. Ein Schalter also, der elektrisch zwischen "Ein" und "Aus" umgestellt werden kann. Die Methode ist so erfolgreich, dass heutzutage in einem gewöhnlichen PC mehrere Millionen Transistoren stecken und den Strom zum Ausführen all der kleinen Programme regulieren.
Computer müssen aber immer kleiner werden und schneller – was wiederum "kleiner" heißt. Bei dem Schrumpfprozess stoßen die Physiker und Ingenieure jedoch unweigerlich selber an eine Grenze: Sobald die Maße deutlich in den Bereich unter 100 Nanometer geraten, wird das Verhalten der Elektronen komplizierter. Nun beginnen vermehrt Quanteneffekte aufzutreten, die sich schlecht analytisch berechnen lassen, sodass die Wissenschaftler die Reaktionen ihrer Transistoren durch Computersimulationen nachahmen müssen.
Am meisten Schwierigkeiten bereitet der so genannte Tunneleffekt. In Dimensionen von wenigen Nanometern sind Elektronen nicht mehr als Teilchen anzusehen, sondern besser als Wellen zu beschreiben, die weniger scharf lokalisiert, dafür aber räumlich weiter ausgebreitet sind. Es lässt sich gewissermaßen nur noch eine ortsabhängige Wahrscheinlichkeit angeben, wo sich das Elektron befinden würde, wenn es doch ein Teilchen wäre. Und manchmal schwappt diese Elektronenwelle auch über Hindernisse, die für ein Teilchen unmöglich zu überwinden wären. Trotzdem ist das Elektron plötzlich jenseits der Barriere – es ist durch sie "getunnelt".
Statt sich über die störenden Tunnel-Ausflüge der Elektronen zu ärgern, kann man sie auch nutzen, um den kleinstmöglichen Transistor zu bauen, der nur jeweils ein Elektron gleichzeitig durchlässt und daher als Einzelelektronen-Transistor bezeichnet wird. Bei ihm dürfen die Elektronen nicht nur tunneln, sie müssen es sogar, um im Gänsemarsch durch das Bauteil zu gelangen. Auch beim Einzelelektronen-Transistor gelangen sie zunächst an der Quelle (source) an eine Barriere. Dahinter liegt eine Insel (island) genannte Region, von der es hinter einem zweiten Hindernis zur Senke (drain) geht. Seitlich an die Insel angeschlossen ist die Steuerspannung, die bestimmt, ob Elektronen passieren dürfen oder nicht.
Der Haken beim Einzelelektronen-Transistor ist, dass die Elektronen normalerweise schon durch die Umgebungstemperatur so viel Energie aufnehmen, dass sie ohne Erlaubnis durch die Barrieren tunneln können. Darum funktionierten die meisten Prototypen nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Um das Bauteil auch bei Raumtemperatur nutzen zu können, muss die Insel weniger als zehn Nanometer Durchmesser haben und von Hindernissen umgeben sein, deren energetische Hürde hoch genug ist, um ein Elektron auf der Insel gefangen zu halten.
Mit verschiedenen Methoden haben Wissenschaftler in den letzten Jahren dieses Ziel erreicht. Allerdings waren ihre Vorgehensweisen meistens nur für einzelne Transistoren umsetzbar. Nun haben Physiker um Zahid Durrani von der Cambridge University in Großbritannien zusammen mit Forschern der Japan Science and Technology Corporation eine Technik entwickelt, die kompatibel zur bestehenden Siliciumtechnologie und damit einen Schritt dichter an einer Produktion im größeren Maßstab. Ihre Transistoren bestehen aus Nanokristallen von Silicium, deren Grenzflächen sie bei tiefen Temperaturen zu Siliciumdioxid oxidieren ließen. Diese Oxidschicht erwies sich als effiziente Barriere zwischen der Insel und den beiden anderen Regionen. Rund 173 Millielektronenvolt müssen die Elektronen überwinden – genug, damit der Transistor auch noch bei 25 Grad Celsius funktioniert.
Bis Einzelelektronen-Transistoren ihren Siegeszug in die Büros und Kinderzimmer antreten werden, dürfte es aber noch einige Jahre dauern. Zuvor werden Wissenschaftler sie als empfindliche Elektrometer benutzen, mit denen sie selbst winzigste Ströme messen oder einzelne Elektronen zählen können. Und auch das soll ja bei Raumtemperatur viel einfacher und angenehmer sein.
Computer müssen aber immer kleiner werden und schneller – was wiederum "kleiner" heißt. Bei dem Schrumpfprozess stoßen die Physiker und Ingenieure jedoch unweigerlich selber an eine Grenze: Sobald die Maße deutlich in den Bereich unter 100 Nanometer geraten, wird das Verhalten der Elektronen komplizierter. Nun beginnen vermehrt Quanteneffekte aufzutreten, die sich schlecht analytisch berechnen lassen, sodass die Wissenschaftler die Reaktionen ihrer Transistoren durch Computersimulationen nachahmen müssen.
Am meisten Schwierigkeiten bereitet der so genannte Tunneleffekt. In Dimensionen von wenigen Nanometern sind Elektronen nicht mehr als Teilchen anzusehen, sondern besser als Wellen zu beschreiben, die weniger scharf lokalisiert, dafür aber räumlich weiter ausgebreitet sind. Es lässt sich gewissermaßen nur noch eine ortsabhängige Wahrscheinlichkeit angeben, wo sich das Elektron befinden würde, wenn es doch ein Teilchen wäre. Und manchmal schwappt diese Elektronenwelle auch über Hindernisse, die für ein Teilchen unmöglich zu überwinden wären. Trotzdem ist das Elektron plötzlich jenseits der Barriere – es ist durch sie "getunnelt".
Statt sich über die störenden Tunnel-Ausflüge der Elektronen zu ärgern, kann man sie auch nutzen, um den kleinstmöglichen Transistor zu bauen, der nur jeweils ein Elektron gleichzeitig durchlässt und daher als Einzelelektronen-Transistor bezeichnet wird. Bei ihm dürfen die Elektronen nicht nur tunneln, sie müssen es sogar, um im Gänsemarsch durch das Bauteil zu gelangen. Auch beim Einzelelektronen-Transistor gelangen sie zunächst an der Quelle (source) an eine Barriere. Dahinter liegt eine Insel (island) genannte Region, von der es hinter einem zweiten Hindernis zur Senke (drain) geht. Seitlich an die Insel angeschlossen ist die Steuerspannung, die bestimmt, ob Elektronen passieren dürfen oder nicht.
Der Haken beim Einzelelektronen-Transistor ist, dass die Elektronen normalerweise schon durch die Umgebungstemperatur so viel Energie aufnehmen, dass sie ohne Erlaubnis durch die Barrieren tunneln können. Darum funktionierten die meisten Prototypen nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Um das Bauteil auch bei Raumtemperatur nutzen zu können, muss die Insel weniger als zehn Nanometer Durchmesser haben und von Hindernissen umgeben sein, deren energetische Hürde hoch genug ist, um ein Elektron auf der Insel gefangen zu halten.
Mit verschiedenen Methoden haben Wissenschaftler in den letzten Jahren dieses Ziel erreicht. Allerdings waren ihre Vorgehensweisen meistens nur für einzelne Transistoren umsetzbar. Nun haben Physiker um Zahid Durrani von der Cambridge University in Großbritannien zusammen mit Forschern der Japan Science and Technology Corporation eine Technik entwickelt, die kompatibel zur bestehenden Siliciumtechnologie und damit einen Schritt dichter an einer Produktion im größeren Maßstab. Ihre Transistoren bestehen aus Nanokristallen von Silicium, deren Grenzflächen sie bei tiefen Temperaturen zu Siliciumdioxid oxidieren ließen. Diese Oxidschicht erwies sich als effiziente Barriere zwischen der Insel und den beiden anderen Regionen. Rund 173 Millielektronenvolt müssen die Elektronen überwinden – genug, damit der Transistor auch noch bei 25 Grad Celsius funktioniert.
Bis Einzelelektronen-Transistoren ihren Siegeszug in die Büros und Kinderzimmer antreten werden, dürfte es aber noch einige Jahre dauern. Zuvor werden Wissenschaftler sie als empfindliche Elektrometer benutzen, mit denen sie selbst winzigste Ströme messen oder einzelne Elektronen zählen können. Und auch das soll ja bei Raumtemperatur viel einfacher und angenehmer sein.
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