Transistoren schwingen im Terahertz-Takt

  • 23. November 2015

Elektronische Dichte- und Dickeschwingungen liefern neuen Zugang zum Inneren elektronischer Bauteile.

Um über Strom und Spannung mit der Umgebung interagieren zu können, beinhalten Transistoren extrem dünne Elektronenschichten, sogenannte 2D-Elektronengase. Ein Team von Wissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum zeigt nun, dass diese sich nicht nur durch Gleich- oder Radiofrequenzspannungen steuern lassen. „Ein 2D-Elektronengas ist wie ein Wackelpudding“, erklärt Andreas Wieck vom Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik. „Drückt man mit einer charakteristischen Frequenz elektrisch von oben auf das Gas, entstehen Dicke- und Dichteschwingungen.“ Das Gas lässt sich also auch über elektrische Kräfte beeinflussen, die weit schneller variieren als jede Radio- oder Mikrowellenfrequenz.

Abb.: Finite Difference Time Domain (FDTD)-Simulationen zeigten die Verteilung der elektrischen Felder und Frequenzantwort des Metamaterials auf. (Bild: S. Pal et al., NPG)

Abb.: Finite Difference Time Domain (FDTD)-Simulationen zeigten die Verteilung der elektrischen Felder und Frequenzantwort des Metamaterials auf. (Bild: S. Pal et al., NPG)


Da es gerade einmal zehn Nanometer dick ist, gehorchen die Schwingungen den Gesetzen der Quantenmechanik. Das bedeutet: Es können nur Schwingungen mit bestimmten Frequenzen entstehen, und zwar im Terahertz-Bereich. Wieck und weitere Kollegen fanden einen Weg, die erforderlichen Schwingungen auszulösen.

Die Forscher dampften 100 Nanometer über dem Elektronengas eine Vielzahl gleichartiger metallischer Resonatoren auf, die als Metamaterial arbeiteten und mit der erforderlichen festen Frequenz schwingen konnten. Das Elektronengas befand sich in einem Halbleiter und konnte über eine äußere Gleichspannung verändert werden, nämlich ein wenig dicker oder dünner gemacht werden. Die Dicke bestimmt die Frequenz, die das Gas optimal zum Schwingen bringt. Über die äußere Spannung konnten die Forscher das Elektronengas auf die Resonatoren abstimmen, das Gas also so einstellen, dass der elektrische Wechseldruck der Resonatoren es optimal zum Schwingen im Terahertz-Bereich anregt.

Diese Technik könnte für Sensoren in der Chemie- und Umwelttechnik interessant sein, schlagen die Forscher vor. Denn Molekülschwingungen liegen typischerweise im Terahertz-Bereich. Über die modifizierten Transistoren ließen sich solche Schwingungen erfassen und Messfühler entwickeln, die individuell auf die Frequenzen bestimmter Gase oder Flüssigkeiten reagieren.

RUB / PH

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