Transistoren 12.09.2013, 09:56 Uhr

Graphen agiert wie Schaltkreise

Forschern der University of California in Riverside ist es jetzt auf unkonventionelle Weise gelungen, einen auf Graphen basierenden Transistor zu entwickeln. Dabei nutzen sie das Phänomen des “negativen differentiellen Widerstands”, um ein transistorähnliches Verhalten zu erzielen statt wie bislang eine künstliche Bandlücke zu öffnen. 

Wie die MIT Technology Review berichtet, setzen die Wissenschafteler Graphen im Sinne eines Schalters ein, was elektronische Schaltungen der Zukunft revolutionieren könnte. 

Graphen ist eine Graphitschicht mit der Dicke einer einzigen Atomlage. Das Material – die Zugfestigkeit von Graphen ist 125 Mal höher als bei Stahl und die Leitfähigkeit ist zugleich extrem hoch – weist derart außergewöhnliche Eigenschaften auf, dass Wissenschaftler auf der ganzen Welt darin vor allem ein enormes Potenzial für die Elektronik sehen. Allerdings ist es bisher noch nicht gelungen, Transistoren mit den gewünschten guten Schalteigenschaften aus Graphen zu entwickeln.

Hürden bei der praktischen Anwendung

Bisher eignete sich Graphen nicht als Basis für Transistoren, da sich der Ladungsfluss des halbmetallischen Graphen nicht einfach abschalten lässt. Graphen hat im Gegensatz zu Halbleitern keine Bandlücke, was bedeutet, dass Elektronen bei jeder Stromstärke fließen. Bisher ist es zwar gelungen, durch elektrische Felder oder beispielsweise durch die physische Bearbeitung des Graphen eine künstliche Bandlücke zu erzielen. Ein praktikabler Einsatz in digitalen Schaltkreisen war allerdings bislang noch nicht möglich. 

Forscher realisieren praktikable Graphen-FETs

Die Wissenschaftler in Riverside um Guanxiong Liu demonstrierten in Experimenten, dass Graphen unter gewissen Umständen aber doch einen negativen Widerstand aufweisen kann und sich damit durchaus auch für den Betrieb eines Graphen-Transistors eignet. Unter bestimmten Bedingungen fällt die Spannung wie bei einem Schalter ab und kann zur Übertragung binärer Signale genutzt werden. Die amerikanischen Forscher zeigen weiter, dass mehrere Feldeffekt-Tranistoren (FETs)auf Graphen-Basis zusammengeschaltet  und manipuliert werden können, um letztendlich konventionelle Logikgatter zu produzieren.

Deutliche Vorteile gegenüber Silizium

Die neuartigen Graphen-Transistoren sind deutlich kleiner und schneller im Vergleich zu den auf Silizium basierenden Transistoren. So ist es theoretisch möglich XOR-Gatter aus nur drei Graphen- FETs zu bauen, anstatt mit mindestens acht aus Silizium. Das würde zu einer erheblichen Platzersparnis auf dem Halbleiter führen. Hinzu kommt, dass Graphen-Transistoren bei Frequenzen von 400 Gigahertz arbeiten. Mit diesen hohen Frequenzen werden Größenordungen möglich, die bisher alle bekannten oder geplanten Schaltungen übertreffen. Auch wenn noch zahlreiche praktische Tests und weitere Entwicklungsarbeiten notwendig sind, gehen Experten davon aus, dass die neuen Forschungsergebnisse zu einem konzeptionellen Umdenken in der Graphen-Forschung führen könnten.

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