Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultra-Low-Power Elektronik mit "grünen" Transistoren

04.12.2013
Neues Projekt entwickelt erste Anwendungen mit Tunnel-Feldeffekttransistoren

Die Informationstechnik (IT) hält in immer mehr Lebensbereichen Einzug. Stromeinsparungen sind dringend notwendig. Als besonders energiesparende Komponenten bieten sich Tunnel-Feldeffekt-Transistoren (TFET) an, die weltweit intensiv erforscht werden.


Nanodraht-Transistor mit 20 Nanometer Durchmesser unter dem Rasterelektronenmikroskop: In UltraLowPow soll die Technologie unter anderem für nur 10 Nanometer dünne Nanodrähte weiterentwickelt werden.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Um ihr Potenzial auszutesten, entwickeln Wissenschaftler in dem vom Forschungszentrum Jülich koordinierten Projekt UltraLowPow nun erste Schaltkreise und Sensoren – auch im Hinblick auf neuartige Assistenzsysteme, die Mensch und Umwelt in Zukunft unterstützen könnten.

Einen ersten bahnbrechenden Erfolg werden Jülicher Wissenschaftler Ende des Jahres auf dem kommenden International Electron Devices Meeting, kurz IEDM 2013, der vielleicht wichtigsten Elektronik-Tagung der Welt, in Washington DC, USA, vorstellen: einen Inverter, das ist eine einfache, aus TFETs aufgebaute Logikschaltung, der mit einer Betriebsspannung von nur 0,25 Volt auskommt – ein weltweit bisher einzigartig niedriger Wert.

Darauf aufbauend werden die Forscher gemeinsam mit Partnern des Instituts für Halbleitertechnik der RWTH Aachen und des Lehrstuhls für Technische Elektronik der Technischen Universität München in dem im Juni 2013 gestarteten Projekt UltraLowPow zunächst einfache Schaltungen, etwa für Speicherzellen (SRAM) und Signalverarbeitung, sowie hochempfindliche und energieeffiziente Beschleunigungs-, Druck- und Flüssigkeitssensoren entwickeln.

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung mit 2,34 Millionen Euro geförderte Projekt zielt auf verschiedene Anwendungen ab: von der Automobilelektronik über zusätzliche energieeffiziente Schaltungen in Mobilgeräten, die im Standby den Betrieb aufrechterhalten, bis hin zu intelligenten Regelungs- und Sensorsystemen. Letztere könnten selbst kleine Mengen an Energie gewinnen, etwa mithilfe von Solarzellen oder Generatoren ("Energie-Harvesting").

Unabhängig von einer äußeren Stromzuführung wären solche Systeme praktisch wartungsfrei und damit perfekt geeignet für den Einsatz in innovativen Anwendungsfeldern, die gerade erst entstehen: Durch eine Rundum-Überwachung der Körperfunktionen könnten sie Patienten neue Freiräume ermöglichen, in "Smart Homes" zum Energiesparen beitragen oder in großen Netzwerken Daten über die Umwelt erfassen.

Energieeffizient durch Quantenmechanik

Transistoren sind das wichtigste elektronische Bauelement zum Verarbeiten von Informationen und auch zum Aufbau von Sensoren geeignet. Ihr Verhalten entspricht dem eines steuerbaren Schalters, der Strom, abhängig von einer anliegenden Spannung, unterschiedlich gut leitet. Konventionelle Speicher und Prozessoren bestehen aus sogenannten Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs).

Ihre Gateoxid-Schichtdicke ist nach jahrzehntelanger Miniaturisierung mittlerweile bei wenigen Atomlagen angelangt. Die unweigerlich hervorgerufenen Leckströme sind eines der Kernprobleme, die für die großen Standby-Verluste im IT-Bereich verantwortlich sind. Vor allem aber hat die Betriebsspannung seit einigen Chipgenerationen eine untere Grenze von etwa 0,7 Volt erreicht, die sich nicht weiter senken lässt, ohne dass das Schaltungsverhalten einbricht.

TFETs arbeiten dagegen noch mit Spannungen bis herunter zu 0,25 Volt. Da die Leistungsaufnahme quadratisch von der Spannung abhängt, lässt sich der Energieverbrauch so auf ein Zehntel verringern. Die Ladungsträger bewegen sich in TFETs nicht "klassisch" von der Source-Elektrode in das Halbleitermaterial. Sie "tunneln" nach quantenmechanischen Prinzipien durch die Kontaktfläche. Das reduziert Leckströme und führt dazu, dass TFETs deutlich empfindlicher auf kleine Spannungsschwankungen reagieren können als konventionelle Transistoren. Die steilere Schaltcharakteristik hilft nicht nur, Energie zu sparen. Sie ist auch eine ideale Voraussetzung zum Bau hochperformanter Schaltungen sowie hochempfindlicher Sensoren.

Konzepte für unterschiedliche Anforderungen

"Anstelle eines Standard-Transistors werden wir in UltraLowPow verschiedene Typen von TFETs entwickeln, die auf unterschiedliche Anforderungen und Hersteller zugeschnitten sind", erläutert Projektleiter Prof. Siegfried Mantl aus dem Bereich Halbleiter-Nanoelektronik des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-9). "Für leistungsstärkere Transistoren verfolgen wir eine ganze Palette verschiedener Materialien für neuartige Architekturen, bei denen Nanodrähte mit einem Durchmesser von rund 10 Nanometer zum Einsatz kommen. Darüber hinaus sind aber auch einfache, planare Transistoren und Sensoren geplant. Diese kommen schon mit einem erheblich geringeren Herstellungsaufwand aus und sind daher bereits für mittelständische Unternehmen attraktiv."

Weitere Informationen:
Peter Grünberg Institut, Bereich Halbleiter-Nanoelektronik (PGI-9): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-9
Ansprechpartner:
Prof. Siegfried Mantl (Projektkoordinator)
Peter Grünberg Institut, Bereich Halbleiter-Nanoelektronik (PGI-9)
Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-3643
s.mantl@fz-juelich.de
Pressekontakt:
Tobias Schlößer
Unternehmenskommunikation, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2013/13-12-04ultra-low.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht SEEDs – Intelligente Batterien mit zellinterner Sensorik
25.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

nachricht Power-to-Liquid: 200 Liter Sprit aus Solarstrom und dem Kohlenstoffdioxid der Umgebungsluft
24.07.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Im Focus: Breitbandlichtquellen mit flüssigem Kern

Jenaer Forschern ist es gelungen breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferten sie zudem experimentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen – zeitlich und spektral stabile Lichtwellen – die aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkerns entsteht. Die Ergebnisse der Arbeiten publizierte das Jenaer Wissenschaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Feinmechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Insituts im renommierten Fachblatt Nature Communications.

Aus einem ultraschnellen intensiven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissenschaftler ein, für das menschliche Auge nicht sichtbares,...

Im Focus: Flexible proximity sensor creates smart surfaces

Fraunhofer IPA has developed a proximity sensor made from silicone and carbon nanotubes (CNT) which detects objects and determines their position. The materials and printing process used mean that the sensor is extremely flexible, economical and can be used for large surfaces. Industry and research partners can use and further develop this innovation straight away.

At first glance, the proximity sensor appears to be nothing special: a thin, elastic layer of silicone onto which black square surfaces are printed, but these...

Im Focus: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungen

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

IT-Experten entdecken Chancen für den Channel-Markt

25.07.2017 | Unternehmensmeldung

Erst hot dann Schrott! – Elektronik-Überhitzung effektiv vorbeugen

25.07.2017 | Seminare Workshops

Dichtes Gefäßnetz reguliert Bildung von Thrombozyten im Knochenmark

25.07.2017 | Biowissenschaften Chemie