Transistoren, die Bausteine integrierter Schaltungen, stehen vor wachsenden Herausforderungen, da sie immer kleiner werden. Die Erforschung von Transistoren mit neuartigen Funktionsprinzipien ist für die Verbesserung der Schaltkreisleistung von entscheidender Bedeutung. Hot-Carrier-Transistoren, die die überschüssige kinetische Energie von Ladungsträgern nutzen, haben das Potenzial, die Geschwindigkeit und Funktionalität von Transistoren zu verbessern. Ihre Leistung wurde jedoch durch den traditionellen Mechanismus der Heißträgererzeugung begrenzt.
Ein Team von Forschern unter der Leitung von Prof. Liu Chi, Prof. Sun Dongming und Prof. Cheng Huiming vom Institute of Metal Research (IMR) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat einen neuartigen Mechanismus zur Erzeugung heißer Ladungsträger vorgeschlagen, der als „stimulierte Emission erhitzter Ladungsträger (SEHC)“ bezeichnet wird, und einen neuartigen Hot-Emitter-Transistor (HOET) entwickelt, der einen ultraniedrigen Unterschwellenschwingung von weniger als 1 mV/dec und ein Stromverhältnis von Spitze zu Senke von mehr als 100 erreicht und damit einen Prototyp für ein energiesparendes und multifunktionales Bauelement für die Zeit nach demm Moooreschen Gesetz darstellt.
Hot-Emitter-Transistor
Niedrigdimensionale Materialien wie Graphen können aufgrund ihrer atomaren Dicke, ihrer hervorragenden elektrischen und optischen Eigenschaften und ihrer perfekten Oberfläche ohne Defekte leicht Heterostrukturen mit anderen Materialien bilden. Dadurch entsteht eine Vielzahl von Energiebandkombinationen, die neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuartiger Heißladungstransistoren bieten. Forscher am IMR entwickeln einen Hot-Emitter-Transistor, der eine Kombination aus Graphen und Germanium verwendet, was zu einem neuen Mechanismus für die Erzeugung heißer Ladungsträger führt.
Dieser neue Transistor besteht aus zwei gekoppelten Graphen/Germanium-Schottky-Übergängen. Während des Betriebs injiziert Germanium hochenergetische Ladungsträger in die Graphenbasis, die dann zum Emitter vordringen und dort mit den vorgeheizten Ladungsträgern einen erheblichen Stromanstieg auslösen. Dieses Design erreicht einen Schwellenwert von weniger als 1 mV/dec und übertrifft damit die herkömmliche „Boltzmann-Grenze“ von 60 mV/dec. Darüber hinaus weist der Transistor bei Raumtemperatur ein Stromverhältnis von Spitze zu Senke von mehr als 100 auf und demonstriert damit das Potenzial für mehrwertige logische Berechnungen.
„Diese Arbeit eröffnet einen neuen Bereich in der Transistorforschung, indem sie ein wertvolles Mitglied der Familie der Heißträgertransistoren hinzufügt und weitreichende Aussichten für ihre Anwendung in zukünftigen hochleistungsfähigen, stromsparenden und multifunktionalen Bauelementen aufzeigt“, sagte Liu.
