Neues Transistorkonzept: schneller, kleiner, sparsamer
Elektronische Schaltungen, die je nach Bedarf ganz unterschiedliche Aufgaben erfüllen können: Dieser womöglich bahnbrechende Fortschritt wurde kürzlich an der TU Wien erzielt.
Foto: tuwien.at/TU Wien
Ein Forschungsteam der Technischen Universität Wien hat intelligente, steuerbare Transistoren entwickelt und zu Schaltungen kombiniert, die zuverlässig und schnell zwischen verschiedenen Funktionen hin- und herschalten können. Dies ermöglicht nicht nur mehr Funktionalität auf weniger Chipfläche, sondern spart auch Herstellungskosten sowie Energie und ermöglicht höhere Rechengeschwindigkeiten.
Funktionen konventioneller Transistoren sind nach Herstellung nicht mehr veränderbar
In herkömmlichen Mikroelektronikansätzen werden Halbleiter wie Silizium gezielt verunreinigt, um bestimmte elektronische Eigenschaften zu erzielen. Dieser Prozess, als Dotierung bekannt, beeinflusst, wie und wohin der Strom fließt. Die Funktion konventioneller Transistoren wird bei der Herstellung festgelegt und kann nicht mehr verändert werden. Die Forscher der TU Wien haben nun ein völlig neues Transistorkonzept entwickelt. Statt des dotierten Materials verwenden sie Transistoren, bei denen das Verhalten der Ladungsträger im Material durch elektrische Felder gesteuert wird – die sogenannte elektrostatische Dotierung. Dieser innovative Ansatz ermöglicht es, die Funktion einer Schaltung je nach Bedarf zu rekonfigurieren.
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Walter M. Weber vom Institut für Festkörperelektronik erklärt: „Bei uns ist nicht von Anfang an festgelegt, welche logische Operation eine bestimmte Schaltung durchführt. Wir können die Funktion einer Schaltung je nach Anforderung rekonfigurieren.“
Flexibilität der Transistoren durch elektrostatische Dotierung
Eine der Herausforderungen war, Bauteile zu entwickeln, die sowohl über den Transport von Elektronen als auch über den Transport von Löchern betrieben werden können, und zwar mit dem gleichen Schaltverhalten. Dieser Durchbruch ermöglicht es, mehr Funktionalität auf derselben Fläche unterzubringen. Dies ist für die Chipindustrie von entscheidender Bedeutung, da herkömmliche Chips verschiedene Blöcke haben, die spezifische Aufgaben erledigen können.
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Durch die flexiblere Technik könnten Informationen effizienter und ressourcenschonender an einem Ort verarbeitet werden. Statt mit herkömmlicher Technik zwei unterschiedliche Schaltungen für eine bestimmte Anforderung durchzuführen, kann die neue Technik das in einer. Dadurch wird Chipfläche eingespart.
Jahrzehntelang basierten Fortschritte in der Mikroelektronik auf der Miniaturisierung der einzelnen Bauteile. Doch diese stieß in letzter Zeit auf natürliche Grenzen, insbesondere, wenn es um atomare Größenskalen geht. Hier könnte die rekonfigurierbare Elektronik eine interessante Option für intelligente, selbstlernende oder neuronale Computersysteme sein, die ihre Funktionen anpassen können, um möglichst schnelle und energieeffiziente Berechnungen durchzuführen.
Chipindustrie zeigt sich interessiert an den neuen Transistoren
Die Forschungsgruppe präsentierte bereits im Jahr 2021 erste intelligente, konfigurierbare Transistoren. Nun ist es gelungen zu zeigen, dass sich daraus tatsächlich alle grundlegenden logischen Schaltungen zusammensetzen lassen. Durch die Rekonfiguration der Bauteile können diese Schaltungen Aufgaben übernehmen. Das Forschungsteam kooperiert bereits mit Unternehmen aus der Chipindustrie, und das Interesse an dieser neuen Technologie ist groß. Die Entwicklung rekonfigurierbarer Elektronik könnte weitreichende Auswirkungen auf verschiedene Branchen und Anwendungen haben.
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Weber betont: „Unser Ansatz erfordert keine neuen Materialien oder Prozesse, wir verwenden Silizium und Germanium, also Materialien, die auch heute eingesetzt werden.“
