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 IT-Kühlung: So schaffen Kleinbetriebe den Sprung in die IT-Profiliga
23.09.2016 | Rittal GmbH & Co. KG

nachricht Plug & Play: Drei auf einen Streich
29.09.2016 | Rittal GmbH & Co. KG

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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ionen gegen Herzrhythmusstörungen – Nicht-invasive Alternative zu Katheter-Eingriff

20.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Ein neuer Index zur Diagnose einer nichtalkoholischen Fettlebererkrankung

20.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das Cockpit für Kühlgeräte

20.01.2017 | Energie und Elektrotechnik