Mit einer neuen Technik beeinflussen Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) um Walter M. Weber und Masiar Sistani die Wanderung von Elektronen und deren Gegenstücken (Löcher) im Halbleitermaterial reversibel. Zwei Transistoren können mal so geschaltet werden, dass sie Summen bilden, also addieren, und mal so, dass sie Produkte errechnen, also multiplizieren. Bisher wird die Beweglichkeit von Elektronen und Löchern bei der Herstellung der Transistoren unumkehrbar festgelegt.
Das neue Verfahren kommt bei gleicher Rechenleistung mit weniger Transistoren aus, sodass die Mikroprozessoren billiger herzustellen sind. Ausserdem sinkt der Energieverbrauch und die Rechengeschwindigkeit steigt, heisst es. "Normalerweise arbeitet man in der Mikroelektronik mit Halbleitern, die gezielt verunreinigt werden. Das sind Materialien wie Silizium, in die bestimmte Fremdatome eingebaut werden. Man bezeichnet das als Dotieren", so Weber. Entweder handele es sich um Fremdatome, die ein Elektron mehr haben als die Atome in ihrer Umgebung, dann kann dieses Elektron relativ leicht im Material herumwandern.
Oder sie haben ein Elektron weniger und Elektronen der Umgebung rücken nach, dann fehlt das Elektron anderswo, erläutert Weber. In diesem Fall wandert also statt des Elektrons ein sogenanntes "Loch" durch das Material: Eine Stelle, an der ein Elektron fehlt. Die Dotierung entscheidet, wo und in welche Richtung Strom fliessen kann und wo nicht. Dadurch wird die Funktion von konventionellen Transistoren bei der Herstellung festgelegt und kann nicht mehr geändert werden. Der Stromfluss durch den Transistor wird dann mittels Steuerelektrode ein- oder ausgeschaltet.
Die neuen Wiener Transistoren beinhalten überhaupt kein dotiertes Material mehr. Stattdessen wird das Verhalten der Ladungsträger im Material durch elektrische Felder gesteuert: Elektrische Ladung wird über eine zusätzliche Elektrode in den Transistor eingebracht, und dadurch wird festgelegt, wie sich der Transistor verhalten soll. Man spricht von "elektrostatischer Dotierung". Sie ersetzt den technisch sehr komplexen und teuren Prozess der Dotierung mit Fremdatomen. "Bei uns ist also nicht wie bei herkömmlicher Halbleitertechnologie von Anfang an festgelegt, welche logische Operation eine bestimmte Schaltung durchführt. Wir können die Funktion einer Schaltung je nach Anforderung rekonfigurieren", erklärt Sistani.
Das bedeutet, dass mehr Funktionalität auf derselben Fläche untergebracht werden kann, und das ist für die Industrie der entscheidende Parameter. "In heutigen Chips hat man verschiedene Blocks, die ganz bestimmte Aufgaben erledigen können. Man muss ständig Information von einem Block zum anderen schicken. Das braucht Zeit und kostet Energie", sagt Lukas Wind, Doktorand am TU-Wien-Institut für Festkörperelektronik. Mit der neuen, flexibleren Technik könne man dieselbe Info effizient und schneller als bisher an einem einzigen Ort verarbeiten.
Die Forschergruppe kooperiert bereits mit Unternehmen aus der Chip-Industrie. Das Interesse sei gross. "Natürlich ist das ein bedeutsamer Schritt, der nicht von einem Tag auf den anderen umsetzbar ist. Aber unser Ansatz erfordert keine neuen Materialien oder Prozesse. Wir verwenden Silizium und Germanium, also Materialien, die auch heute eingesetzt werden", verdeutlicht Weber abschliessend.
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