Graphen-FET als Turbo für die Elektronik von morgen

Hf-Technik Graphen-FET als Turbo für die Elektronik von morgen

04.01.2012Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wissenschaftler haben mit einem neuartigen Feldeffekttransistor auf Graphen-Basis einen Mischer für den THz-Bereich gebaut, der elektronische Schaltungen der Zukunft revolutionieren könnte.

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Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Subharmonik-FET-Mischers, bei dem die Fähigkeit des Graphens genutzt wird, via Feldeffekt zwischen Loch- und Elektronenleitung umschalten zu können (Bild: Chalmers)

Wissenschaftler der Chalmers University of Technology im schwedischen Gothenburg haben einen neuen subharminischen Grphen-FET-Mischer für Mikrowellenfrequenzen vorgestellt. Der Mischer eröffnet zukünftigen elektronischen Schaltungen völlig neue Perspektiven. So lassen sich mit graphen-basierten Bauelementen extrem kompakte Schaltkreise für höchste Frequenzen realisieren.

Ohne Mischer geht in vielen elektronischen Systemen nichts

Mischer sind Schlüsselkomponenten in vielen elektronischen Schaltungen und mischen zwei oder mehr Eingangssignale zu einem oder mehreren Ausgangssignalen. Zukünftige Applikationen im Terahertz-Bereich, etwa Radar, Radio-Astronomie, Prozesssteuerung oder Umweltüberwachung erfordern große Arrays von Mischern für Bildverarbeitung in höchster Auflösung und Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung. Solche Mischer-Arrays oder Multi-Pixel-Sensoren erfordern neuartige Bauelemente, die nicht nur hochempfindlich, sonmdern auch energieeffizient und kompakt sein müssen.

Graphen-Bauelemente für den THz-Bereich

Schematische Darstellung eines Graphen-FET-Mischers. Die Frequenz des lokalen Oszillators und das Hf-Signal werden an den Gate- und Drain-Anschlüssen eingespeist und das Zwischenfrequenz-Signal am Drain-Anschluss ausgekopelt. (Bild: Chalmers)

Da Graphene aufgrund des Feldeffekts zwischen Loch- und Elektronen-Leitung wechseln können, eröffnet sich eine einzigartige Nische für integrierte Schaltungen auf Graphen-Basis für Höchstfrequenzanwendungen. Dank dieser symmetrischen Ladungscharakteristik ist es den Forschern an der Chalmers-Universität gelungen, einen subharmonischen G-FET-Mischer mit einem einzigen Transistor zu realisieren. Da keine zusätzlichen Speisekreise nötig sind, ist der Mischer im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen äußerst kompakt. Deshalb beanspruchen Graphen-Mischer auch weniger Waferfläche und ermöglichen mit der Wieterentwicklung der G-FET-Technologie zukunftsweisende Sensorarrays, etwa für die Bildsensoren, die im Millimeter- und sogar Submillimeterwellenbereich arbeiten.

Graphen-Mischer können noch schneller werden

„Mit weiteren Optimierungen der Schaltung lässt sich die Leistungsfähigkeit unseres Mischers noch weiter steigern und G-FETs für noch kürzere Schaltzeiten realisieren“, freut sich Professor Jan Stake. „Mit einem G-FET nutzen wir die einzigartigen Eigenschaften von Graphen und erreichen so weit höhere Arbeitsfrequenzen. Dies ebnet uns den Weg für zukünftige Bauelemente für extrem hohe Frequenzbereiche.“

Extrem schnelle Ladungsträger im Graphen

Ein G-FET erreicht solch extrem hohe Frequenz dank der hohen Geschwindigkeit der Ladungsträger im Graphen. Zudem benötigen Subharmonik-Mischer nur die halbe Frequenz des lokalen Oszillators. Dies ist vor allem für Hochfrequenzanwendungen im Terahertz-Bereich interessant, da es dort an derart leistungsfähigen Oszillatoren mangelt. Darüber hinaus lassen sich G-FETs in herkömmliche Siliziumtechnologie integrieren und beispielsweise mit CMOS-Schaltungen auf demselben Chip kombinieren.

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