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.

Stellenangebote im Bereich Elektrotechnik, Elektronik

Elektrotechnik, Elektronik Jobs
Excellence AG-Firmenlogo
GreenTech Engineer (m/wd) Elektrotechnik Excellence AG
Großraum Essen Zum Job 
Excellence AG-Firmenlogo
GreenTech Engineer (m/wd) Automatisierung Excellence AG
deutschlandweit Zum Job 
Excellence AG-Firmenlogo
GreenTech Engineer (m/w/d) Embedded Software Excellence AG
deutschlandweit Zum Job 
THOST Projektmanagement GmbH-Firmenlogo
Ingenieur*in / Wirtschaftsjurist*in (m/w/d) für Contract & Claimsmanagement in Immobilienprojekten THOST Projektmanagement GmbH
Pforzheim Zum Job 
Hillenbrand-Firmenlogo
Elektrotechnikingenieur Hardwarekonstruktion (m/w/d) Hillenbrand
Weingarten Zum Job 
RENK Test System GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Antriebstechnik RENK Test System GmbH
Augsburg Zum Job 
Hermann Pipersberg Jr. GmbH-Firmenlogo
Fertigungsingenieur (m/w/d) Hermann Pipersberg Jr. GmbH
Remscheid Zum Job 
IMS Messsysteme GmbH-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/i) für Röntgen-, Isotopen- und optische Messsysteme IMS Messsysteme GmbH
Heiligenhaus Zum Job 
Scheidt & Bachmann Fare Collection Systems GmbH-Firmenlogo
Wirtschaftsingenieur / Ingenieur Elektrotechnik / Informatiker / Betriebswirt als Senior Bid Manager (m/w/d) Scheidt & Bachmann Fare Collection Systems GmbH
Mönchengladbach bei Düsseldorf Zum Job 
Tagueri AG-Firmenlogo
Teamleitung im Bereich Diagnose (m/w/d) Tagueri AG
Hamburg Zum Job 
Tagueri AG-Firmenlogo
(Junior) Consultant Funktionale Sicherheit (m/w/d) Tagueri AG
Hamburg Zum Job 
Funkwerk AG-Firmenlogo
Techniker / Ingenieur im Engineering Vertrieb (m/w/d) Funkwerk AG
deutschlandweit Zum Job 
Framatome GmbH-Firmenlogo
Senior Project Quality & OPEX Manager (m/w/d) Framatome GmbH
Erlangen Zum Job 
Rheinmetall Electronics GmbH-Firmenlogo
Elektronikentwickler (m/w/d) Rheinmetall Electronics GmbH
Rheinmetall Electronics GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Kältemittelverdichter (m/w/d) Rheinmetall Electronics GmbH
Rheinmetall Electronics GmbH-Firmenlogo
Projektmanager technische Entwicklungsaktivitäten (m/w/d) Rheinmetall Electronics GmbH
Neckarsulm Zum Job 
Energieversorgung Halle Netz GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur - Fernsteuerung Energienetze (m/w/d) Energieversorgung Halle Netz GmbH
Halle (Saale) Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d) Elektro- / Kommunikationstechnik Die Autobahn GmbH des Bundes
Frankfurt am Main Zum Job 
RENOLIT SE-Firmenlogo
Ingenieur / Techniker (m/w/d) für Automatisierungstechnik RENOLIT SE
Frankenthal Zum Job 
SWM Services GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur*in im digitalen Messwesen (m/w/d) SWM Services GmbH
München Zum Job 

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.

Ein Beitrag von:

  • Peter Odrich

    Peter Odrich studierte Betriebswirtschaftslehre mit Schwerpunkt Verkehrsbetriebe. Nach 28 Jahren als Wirtschaftsredakteur einer deutschen überregionalen Tageszeitung mit langer Tätigkeit in Ostasien kehrte er ins heimatliche Grossbritannien zurück. Seitdem berichtet er freiberuflich für Zeitungen und Technische Informationsdienste in verschiedenen Ländern. Dabei stehen Verkehrsthemen, Metalle und ostasiatische Themen im Vordergrund.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.