Dank PSI zu schnellerer Mobilkommunikation

  19.07.2018 Aargau

Röntgenstrahlen helfen, die Elektronenbeweglichkeit besser zu verstehen

Von einem neuartigen Leistungstransistor aus Galliumnitrid verspricht sich die Elektronikindustrie erhebliche Vorteile gegenüber derzeit eingesetzten Hochfrequenztransistoren. Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben nun erstmals den Elektronen im angesagten Transistor beim Fliessen zugeschaut.

Für Smartphones und allgemein für die mobile Kommunikationstechnologie der nahen Zukunft wird eine neue Generation von Halbleiterbauelementen zwingend nötig sein: Der heute gängige 3G/4G-Standard unserer mobilen Kommunikation stösst an seine Leistungsgrenze. Ab 2020 soll der Nachfolger, 5G, kommerziell verfügbar sein. Dieser wird höhere Frequenzen (bis zu 100 Gigahertz), höhere Datenraten (bis zu 20 Gigabit pro Sekunde), höhere Netzdichte und einen effizienteren Energieeinsatz bieten. Allerdings sind die hierfür erforderlichen leistungsstärkeren Hochfrequenz-Transmitter nicht mit traditionellen Transistoren und konventioneller Halbleitertechnologie realisierbar. Forschende weltweit arbeiten daher an einer Alternative: auf Galliumnitrid basierende HEMT – kurz für high electron mobility transistors, oder auf Deutsch: Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit. In ihrem Experiment gingen Vladimir Strocov vom PSI und seine Kollegen der Frage nach, wie man durch geschickte Konstruktion eines HEMT dazu beitragen kann, dass die Elektronen optimal fliessen können. Sie nutzten dafür die weltweit leistungsfähigste Quelle für weiches Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Das einzigartige Experiment führten die PSI-Forschenden zusammen mit Kollegen aus Russland und Rumänien durch. Ihr Ergebnis: Wenn man den Galliumnitrid-Transistor im Hochspannungsbetrieb untersucht bewegen sich die Elektronen in bestimmte Richtungen effizienter. Halbleiter sind die Grundbausteine aller miniaturisierten Schaltkreise und Computerchips. Sie leiten Strom nur dann, wenn man sie geschickt präpariert. In klassischen Halbleiterbauteilen, etwa in Transistoren, geschieht das durch den gezielten Einbau einzelner Atome eines ergänzenden chemischen Elements.

Leistungsschub für Mobilfunknetze
Dass die Elektronen eine bestimmte Fliessrichtung bevorzugen, lässt sich nämlich technisch nutzen, erklärt Strocov: Wenn wir die Atome im Galliumnitrid-HEMT so ausrichten, dass sie mit der Fliessrichtung der Elektronen übereinstimmen, erhalten wir einen wesentlich schnelleren und leistungsfähigeren Transistor. Die Konsequenz ist ein Leistungsschub für die 5G-Technologie. Den HEMT aus Galliumnitrid, die die Wissenschaftler nun untersucht haben, wird für die Entwicklung neuer Transmitter bereits jetzt eine grosse Zukunft vorausgesagt. Mit den jetzigen Erkenntnissen aus ihrem Experiment werde man die Leistung von Funktransmittern nochmals um rund 10 Prozent erhöhen können, schätzen die Forscher. Für Mobilfunknetzwerke bedeutet dies weniger Transmitterstationen bei gleicher Netzabdeckung und Leistung – und damit millionenschwere Einsparungen bei Wartungs- und Energiekosten. (nfz)


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