FET (Feldeffekttransistor) und deren Weiterentwicklung
Category : Tutorials
Published by Marc Büchel on 06.03.05
In der Halbleiterindustrie kann man jetzt schon langsam beobachten, wie sich der Übergang von der Mikro- zur Nanoelektronik bemerkbar macht. Da wir täglich mit der Mikroelektronik zu tun haben und die Nanoelektronik diese bald ablösen wird, steigt auch die Relevanz dieses Themas für die Allgmeinheit. Am Beispiel des Transistors sieht man den Sprung von der Mikro- zur Nanoelektronik. Es wird an fundamentale Grenzen gestossen und Bauteile entwickelt, die neue physikalische Effekte ausnützen werden.
Vorwort
In der Halbleiterindustrie kann man jetzt schon langsam beobachten, wie sich der Übergang von der Mikro- zur Nanoelektronik bemerkbar macht. Da wir täglich mit der Mikroelektronik zu tun haben und die Nanoelektronik diese bald ablösen wird, steigt auch die Relevanz dieses Themas für die Allgmeinheit. Am Beispiel des Transistors sieht man den Sprung von der Mikro- zur Nanoelektronik. Es wird an fundamentale Grenzen gestossen und Bauteile entwickelt, die neue physikalische Effekte ausnützen werden.
Einleitung
Auf Grund der immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung in der Mikroelektronik, ist der Schritt zur Nanoelektronik nicht mehr weit. Doch scheitern an dieser Stelle die bisherigen Konzepte der Elektronik und es zeigen sich neue Effekte, welche durch das ungewöhnliche Verhalten der Elektronen in den Halbleiter-Systemen hervorgerufen werden. Quanteneffekte bringen in diesen kleinen Grössenordnungen völlig neue Möglichkeiten mit sich, die es zulassen neue Bauelemente zu schaffen. Doch kommt man auch an fundamentale Grenzen der Nanoelektronik, welche eine weitere Verkleinerung nicht mehr zulassen, ohne dass zwangsläufig der Zweck des Bauteils verloren geht.
[pagebreak]
Aus Mikroelektronik wird Nanoelektronik
Exponentielles Wachstum
Im Jahre 1947 entstand mit der Erfindung des Transistors eine Alternative zu den Vakuumröhren. Die aufwändige Verstärkung schwacher Signale durch die Triodenvakuumröhre entfiel. 1952 brachte Texas Instruments das erste Transistorradio TR1 auf den Markt und kommerzialisierte so den Transistor. Später werden noch der integrierte Schaltkreis (IC) und 1971 der erste Mikroprozessor Intel 4004 mit 2300 Transistoren erfunden respektive geschaffen. Die heutige Halbleiterinustrie macht schon fast 2 Prozent des gesamtwirtschaftlichen Umsatzes weltweit aus. Mit dem wirtschaftlichen Wachstum werden auch die Strukturen immer stärker verkleinert und der Performancegewinn gesteigert. Die heutigen Feldeffekt-Transistoren (FET) haben die Eigenschaft, ihre Performance zu steigern, wenn die Strukturen verkleinert werden. Nach dem Moore’schen Gesetz verdoppelt sich die Anzahl Transistoren pro Chip alle 18 Monate. Ebenso halbiert sich innerhalb 36 Monate ihre Strukturgrösse. Die heute verwendeten minimalen Strukturgrössen betragen 90nm. Beispielsweise der als Winchester bezeichnete Athlon 64-Core von AMD befindet in dieser Grössenordnung. Der Bereich unter 100nm ist dabei der Nanotechnologie zuzuordnen. Heute käufliche Produkte stehen demzufolge schon im Zeichen der Nanotechnologie.
Grenzen der Nanotechnologie
Seit dem ersten Transistor haben sich die Abmessungen des FETs ständig verkleindert, die Funktion aber blieb gleich. Hält dieser Trend weiterhin an, wird man zwangsläufig auf neue physikalische Effekte stossen, welche den heutigen Strukturen Probleme bereiten. Analog zu Erkenntnissen in der Optik hat auch ein freies Elektron eine Wellenlänge. Bei Raumtemperatur ist diese Wellenlänge im Bereich von 10nm. Verkleinert man die Strukturen von MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ständig, treten Quanteneffekte auf, welche berücksichtigt, aber auch genutzt werden können.
Der Temperaturbereich von kB*T = 30meV (kB: Bolzmannkonstante) stellt für die Elektronik eine Grenze dar. Wird die Energie um ein Bit zu schreiben kleiner als die thermische Fluktuation, können Bitfehler auftreten. Die heute gebräuchliche Schreibenergie von 106eV ist noch weit von 30meV entfernt. Die Leistungsdichte nimmt ständig zu. Heutige Desktop-Prozessoren beispielsweise haben die Leistungsdichte einer Herdplatte schon um Faktoren überschritten. Ein weiteres Problem stellt der Leckstrom dar, welcher den Leistungsverbrauch beeinflusst. Die Ursachen sind Isolationsschichten, welche nicht beliebig dünn sein können, da sonst quantenmechanische Effekte auftreten, welche eine Isolation nicht mehr möglich machen.
Tunneleffekt
Wie oben bereits angedeutet, entstehen bei sehr dünnen Isolationsschichten quantenmechanische Tunneleffekte. Eine Isolationsschicht kann demnach nicht beliebig dünn sein, da sonst keine richtige Isolierung mehr vorhanden ist. Beim “tunneln“ besitzen die Elektronen eine gewisse Wahrscheinlichkeit, von einem elektrischen Leiter durch eine isolierende Schicht (Tunnelbarriere) auf einen anderen zu gelangen. Dabei ist die Isolationsschicht nur wenige Nanometer dick. Die Wahrscheinlichkeit hängt exponentiell von der Dicke der Isolationsschicht ab und nimmt ungefähr pro zehntel Nanometer Dickenzuwachs ab. Durch den Tunneleffekt kann zum Beispiel die metallische Verdrahtung nicht beliebig dicht oder die Kanallänge eines Transistors nicht beliebig kurz sein. Doch kann man das Tunneln ausnutzen, um neue Bauelemente herzustellen. Beispiele dazu sind resonante Tunnelbauelemente, Quantenpunktspeicher und Einzel-Elektron-Transistoren (SET).
Einzel-Elektron-Transistor
Normalerweise werden in der Elektronik grosse Ladungsmengen transportiert und so fällt die gequantelte Ladung des Elektrons nicht ins Gewicht. Wenn die Strukturen, auf denen die Ladung bewegt wird jedoch sehr klein sind, kommen Effekte zum tragen, die mit der Ladungsenergie eines Gegenstandes zusammenhängen. Wenn man auf einen beliebigen Körper der Kapazität C ein Elektron gibt, steigt sein elektrisches Potential um U = e/C. Hat dieser Körper nun Abmessungen im Bereich von etwa 2nm, ist seine Kapazität in der Grössenordnung einer Elementarladung. Somit kann man mit einem einzelnen Elektron das Potential des Körpers um 1V verschieben.
Bringt man, wie in dem oben gezeigen Bild, eine kleine metallische Insel mit zwei Tunnelbarrieren in Kontakt und setzt eine dritte Gate-Elektrode in die Nähe der Insel, kann der Strom durch das System mit Hilfe der Gatterspannung genau gesteuert werden. Die Tunnelbarrieren führen dazu, dass die Anzahl der Elektronen auf der Insel genau festgelegt ist. Wenn die Drain-Source Spannung kleiner ist als die Potentialerhöhung, welche durch ein Elektron mehr auf der Insel entstünde, kann kein Strom mehr fliessen. In diesem Fall spricht man von der Coulombblockade. Ändert man die Gatterspannung, kann das Potential der Insel verändert werden und das System ist wieder leitfähig. Den Widerstand dieser Anordnung kann man nun mit der Gatterspannung einstellen, die den Ladungszustand der Insel beeinflusst. Durch die Anwesenheit eines einzigen Elektrons kann der Transistor geschaltet werden, was auch die Namensgebung beeinflusst hat. Der Transistor ist dabei aber abhängig von der Umgebungstemperatur. Dabei kann die Umgebung durch Energieaustausch die Ladungsenergie der Insel zufällig beeinflussen. Sei die Ladungsenergie Ec = e2/2C = 1meV, ist die entsprechende thermische Energie T = Ec/kB = 10K, mit kB = 10−23J/K. Wenn die Umgebungsenergie grösser Ec ist, kann man den Ladungszustand nicht kontrollieren. Daher ist es nötig die Umgebungstemperatur unter den 10K zu halten, was grössere Probleme bei normaler Anwendung mit sich bringt.
[pagebreak]
Nanotubes
Das SET ist durch die Reihenschaltung von zwei Tunnelkontakten und die kleinen Strukturen ein sehr hochohmiges Bauteil. Würde man die Tunnelflächen breiter machen, kann man den Widerstand senken. Im Idealfall hat man dann nur noch eine Tunnelbarriere, welche durch die Gatterspannung moduliert werden kann. Die metallischen Source/Drain-Kontakte (z.B. aus Carbon Nanotubes) gewährleisten auch ein schnelleres Schalten. Carbon Nanotubes sind zylinderförmig angeordnete, hexagonale Monoschichten aus Kohlenstoffatomen. Ihre metallische Leitfähigkeit übertrifft die von Metallen bei weitem. Sie können auch eine tausendfach höhere Stromstärke aushalten, als gleich dicker Kupferdraht.
Mit Nanotubes kann man Transistoren herstellen, welche Eigenschaften haben, die weit über die eines Siliziumtranistors hinaus gehen.
Schlusswort
Natürlich stellt sich die Frage, wie weit man heutige Strukturen noch verkleinern kann, respektive wo die Grenzen liegen. Die kleinst möglichen Einheiten, die noch Strom transportieren können, sind einzelne Moleküle. Kleinere Leiter kann man nicht herstellen. Anders gesagt wird es vermutlich Piktoelektronik und erst recht Femtoelektronik nicht geben. Diese Grössen liegen knapp über und weit unter den Massen eines Atomkerns. Hochenergiephysiker suchen jedoch nach noch kleineren Teilchen als Atome, die vielleicht für die Informationsspeicherung und Verarbeitung eingesetzt werden können. Die Eigenschaften der Quantenmechanik können auch genutzt werden, um neuartige Algorithmen zu formulieren, die den heutigen überlegen sind. Zeiten in denen Probleme mit neuen Rechenkonzepten wie Quantencomputer gelöst werden können, sind jedoch noch in weiter Ferne.
Diesen Artikel im Forum diskutieren.
Vorwort
In der Halbleiterindustrie kann man jetzt schon langsam beobachten, wie sich der Übergang von der Mikro- zur Nanoelektronik bemerkbar macht. Da wir täglich mit der Mikroelektronik zu tun haben und die Nanoelektronik diese bald ablösen wird, steigt auch die Relevanz dieses Themas für die Allgmeinheit. Am Beispiel des Transistors sieht man den Sprung von der Mikro- zur Nanoelektronik. Es wird an fundamentale Grenzen gestossen und Bauteile entwickelt, die neue physikalische Effekte ausnützen werden.
Einleitung
Auf Grund der immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung in der Mikroelektronik, ist der Schritt zur Nanoelektronik nicht mehr weit. Doch scheitern an dieser Stelle die bisherigen Konzepte der Elektronik und es zeigen sich neue Effekte, welche durch das ungewöhnliche Verhalten der Elektronen in den Halbleiter-Systemen hervorgerufen werden. Quanteneffekte bringen in diesen kleinen Grössenordnungen völlig neue Möglichkeiten mit sich, die es zulassen neue Bauelemente zu schaffen. Doch kommt man auch an fundamentale Grenzen der Nanoelektronik, welche eine weitere Verkleinerung nicht mehr zulassen, ohne dass zwangsläufig der Zweck des Bauteils verloren geht.
[pagebreak]
Aus Mikroelektronik wird Nanoelektronik
Exponentielles Wachstum
Im Jahre 1947 entstand mit der Erfindung des Transistors eine Alternative zu den Vakuumröhren. Die aufwändige Verstärkung schwacher Signale durch die Triodenvakuumröhre entfiel. 1952 brachte Texas Instruments das erste Transistorradio TR1 auf den Markt und kommerzialisierte so den Transistor. Später werden noch der integrierte Schaltkreis (IC) und 1971 der erste Mikroprozessor Intel 4004 mit 2300 Transistoren erfunden respektive geschaffen. Die heutige Halbleiterinustrie macht schon fast 2 Prozent des gesamtwirtschaftlichen Umsatzes weltweit aus. Mit dem wirtschaftlichen Wachstum werden auch die Strukturen immer stärker verkleinert und der Performancegewinn gesteigert. Die heutigen Feldeffekt-Transistoren (FET) haben die Eigenschaft, ihre Performance zu steigern, wenn die Strukturen verkleinert werden. Nach dem Moore’schen Gesetz verdoppelt sich die Anzahl Transistoren pro Chip alle 18 Monate. Ebenso halbiert sich innerhalb 36 Monate ihre Strukturgrösse. Die heute verwendeten minimalen Strukturgrössen betragen 90nm. Beispielsweise der als Winchester bezeichnete Athlon 64-Core von AMD befindet in dieser Grössenordnung. Der Bereich unter 100nm ist dabei der Nanotechnologie zuzuordnen. Heute käufliche Produkte stehen demzufolge schon im Zeichen der Nanotechnologie.
Grenzen der Nanotechnologie
Seit dem ersten Transistor haben sich die Abmessungen des FETs ständig verkleindert, die Funktion aber blieb gleich. Hält dieser Trend weiterhin an, wird man zwangsläufig auf neue physikalische Effekte stossen, welche den heutigen Strukturen Probleme bereiten. Analog zu Erkenntnissen in der Optik hat auch ein freies Elektron eine Wellenlänge. Bei Raumtemperatur ist diese Wellenlänge im Bereich von 10nm. Verkleinert man die Strukturen von MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ständig, treten Quanteneffekte auf, welche berücksichtigt, aber auch genutzt werden können.
Verschiedene Feldeffekt-Transistoren
Der Temperaturbereich von kB*T = 30meV (kB: Bolzmannkonstante) stellt für die Elektronik eine Grenze dar. Wird die Energie um ein Bit zu schreiben kleiner als die thermische Fluktuation, können Bitfehler auftreten. Die heute gebräuchliche Schreibenergie von 106eV ist noch weit von 30meV entfernt. Die Leistungsdichte nimmt ständig zu. Heutige Desktop-Prozessoren beispielsweise haben die Leistungsdichte einer Herdplatte schon um Faktoren überschritten. Ein weiteres Problem stellt der Leckstrom dar, welcher den Leistungsverbrauch beeinflusst. Die Ursachen sind Isolationsschichten, welche nicht beliebig dünn sein können, da sonst quantenmechanische Effekte auftreten, welche eine Isolation nicht mehr möglich machen.
Tunneleffekt
Wie oben bereits angedeutet, entstehen bei sehr dünnen Isolationsschichten quantenmechanische Tunneleffekte. Eine Isolationsschicht kann demnach nicht beliebig dünn sein, da sonst keine richtige Isolierung mehr vorhanden ist. Beim “tunneln“ besitzen die Elektronen eine gewisse Wahrscheinlichkeit, von einem elektrischen Leiter durch eine isolierende Schicht (Tunnelbarriere) auf einen anderen zu gelangen. Dabei ist die Isolationsschicht nur wenige Nanometer dick. Die Wahrscheinlichkeit hängt exponentiell von der Dicke der Isolationsschicht ab und nimmt ungefähr pro zehntel Nanometer Dickenzuwachs ab. Durch den Tunneleffekt kann zum Beispiel die metallische Verdrahtung nicht beliebig dicht oder die Kanallänge eines Transistors nicht beliebig kurz sein. Doch kann man das Tunneln ausnutzen, um neue Bauelemente herzustellen. Beispiele dazu sind resonante Tunnelbauelemente, Quantenpunktspeicher und Einzel-Elektron-Transistoren (SET).
Einzel-Elektron-Transistor
Normalerweise werden in der Elektronik grosse Ladungsmengen transportiert und so fällt die gequantelte Ladung des Elektrons nicht ins Gewicht. Wenn die Strukturen, auf denen die Ladung bewegt wird jedoch sehr klein sind, kommen Effekte zum tragen, die mit der Ladungsenergie eines Gegenstandes zusammenhängen. Wenn man auf einen beliebigen Körper der Kapazität C ein Elektron gibt, steigt sein elektrisches Potential um U = e/C. Hat dieser Körper nun Abmessungen im Bereich von etwa 2nm, ist seine Kapazität in der Grössenordnung einer Elementarladung. Somit kann man mit einem einzelnen Elektron das Potential des Körpers um 1V verschieben.
Das Prinzip des SET
Bringt man, wie in dem oben gezeigen Bild, eine kleine metallische Insel mit zwei Tunnelbarrieren in Kontakt und setzt eine dritte Gate-Elektrode in die Nähe der Insel, kann der Strom durch das System mit Hilfe der Gatterspannung genau gesteuert werden. Die Tunnelbarrieren führen dazu, dass die Anzahl der Elektronen auf der Insel genau festgelegt ist. Wenn die Drain-Source Spannung kleiner ist als die Potentialerhöhung, welche durch ein Elektron mehr auf der Insel entstünde, kann kein Strom mehr fliessen. In diesem Fall spricht man von der Coulombblockade. Ändert man die Gatterspannung, kann das Potential der Insel verändert werden und das System ist wieder leitfähig. Den Widerstand dieser Anordnung kann man nun mit der Gatterspannung einstellen, die den Ladungszustand der Insel beeinflusst. Durch die Anwesenheit eines einzigen Elektrons kann der Transistor geschaltet werden, was auch die Namensgebung beeinflusst hat. Der Transistor ist dabei aber abhängig von der Umgebungstemperatur. Dabei kann die Umgebung durch Energieaustausch die Ladungsenergie der Insel zufällig beeinflussen. Sei die Ladungsenergie Ec = e2/2C = 1meV, ist die entsprechende thermische Energie T = Ec/kB = 10K, mit kB = 10−23J/K. Wenn die Umgebungsenergie grösser Ec ist, kann man den Ladungszustand nicht kontrollieren. Daher ist es nötig die Umgebungstemperatur unter den 10K zu halten, was grössere Probleme bei normaler Anwendung mit sich bringt.
[pagebreak]
Nanotubes
Das SET ist durch die Reihenschaltung von zwei Tunnelkontakten und die kleinen Strukturen ein sehr hochohmiges Bauteil. Würde man die Tunnelflächen breiter machen, kann man den Widerstand senken. Im Idealfall hat man dann nur noch eine Tunnelbarriere, welche durch die Gatterspannung moduliert werden kann. Die metallischen Source/Drain-Kontakte (z.B. aus Carbon Nanotubes) gewährleisten auch ein schnelleres Schalten. Carbon Nanotubes sind zylinderförmig angeordnete, hexagonale Monoschichten aus Kohlenstoffatomen. Ihre metallische Leitfähigkeit übertrifft die von Metallen bei weitem. Sie können auch eine tausendfach höhere Stromstärke aushalten, als gleich dicker Kupferdraht.
Carbon Nanotube
Mit Nanotubes kann man Transistoren herstellen, welche Eigenschaften haben, die weit über die eines Siliziumtranistors hinaus gehen.
Prinzip des surrounding-gate Nanotube-Trasistors
Schlusswort
Natürlich stellt sich die Frage, wie weit man heutige Strukturen noch verkleinern kann, respektive wo die Grenzen liegen. Die kleinst möglichen Einheiten, die noch Strom transportieren können, sind einzelne Moleküle. Kleinere Leiter kann man nicht herstellen. Anders gesagt wird es vermutlich Piktoelektronik und erst recht Femtoelektronik nicht geben. Diese Grössen liegen knapp über und weit unter den Massen eines Atomkerns. Hochenergiephysiker suchen jedoch nach noch kleineren Teilchen als Atome, die vielleicht für die Informationsspeicherung und Verarbeitung eingesetzt werden können. Die Eigenschaften der Quantenmechanik können auch genutzt werden, um neuartige Algorithmen zu formulieren, die den heutigen überlegen sind. Zeiten in denen Probleme mit neuen Rechenkonzepten wie Quantencomputer gelöst werden können, sind jedoch noch in weiter Ferne.
Diesen Artikel im Forum diskutieren.