Ausblick

Bedingt durch die Dominanz der Silizium-CMOS-Technologie bei den integrierten Schaltungen muss ein Resümee mit einem Blick auf den MOS-Transistor beginnen. Mit jedem Technologieschritt werden seine Abmessungen kleiner und sein Gateoxid immer dünner. Irgendwann zwischen 2010 und 2020, so sagt dies die `technology roadmap' der SIA (Semiconductor Industries Association/USA) voraus, wird die CMOS-Technologie aus physikalischen Gründen nicht mehr anwendbar sein. (Ein Schaltvorgang wird aus Dimensionsgründen nur noch von ca. 10 Elektronen getragen werden. Die Wellenfunktionen des Halbleiters und besonders des Metalls lecken in das Oxid hinaus, so dass mindestens 4 - 5 Oxidmonolagen nötig sind, damit sich Isolatorbandzustände überhaupt ausbilden können.)

Eine ca. 1 nm dicke Gate-Oxidschicht kann von einzelnen Elektronen durchtunnelt werden: Tunneloxid. Darauf beruht die `Single electron electronics', die auf einer Grössenskala $< 10\:\mathrm{nm}$ arbeitet.

Abbildung 3.88: Coulomb-Blockade und Single electron electronics.

In der Grundanordnung befindet sich zwischen 2 Elektroden, jeweils durch Tunnelstrecken getrennt, eine Nanoinsel aus leitendem Material, z.B. ein metallener `nanodot'. Die Inselkapazität soll möglichst klein sein (ca. $10^{-19} - 10^{-18}\;\mathrm F$), d.h. der Partikel darf nur einen Durchmesser von wenigen Nanometer haben.

Bringt man durch einen Spannungsimpuls ein Elektron über die Source-seitige Tunnelstrecke auf die Nanoinsel, so verändert die Ladung des Elektrons die Tunnelverhältnisse für weitere Elektronen; diese sehen eine zusätzliche `Barriere' und ein weiteres Elektron muss zusätzlich die Energie $e^2/2C$ mitbringen, um ebenfalls auf die Nanoinsel tunneln zu können: Coulomb-Barriere. Für Spannungen $\vert V_C\vert>e^2/2C$ können Elektronen in beide Richtungen transportiert werden, was man durch Messen der $I(U)$-Kennlinie jeweils überprüfen kann.

Nimmt man eine dritte Elektrode (Gate) hinzu, so kommt man zum SET (Single electron transistor). Es gibt erste Beispiele, die bei Raumtemperatur funktionieren ( $e^2/2C\gg k_B T$) (Siehe auch Abschnitt 4.10.10) .

Zum Abschluss sei noch auf eine Merkwürdigkeit hingewiesen. Bei allen elektronischen Bauelementen spielte der Elektronenspin überhaupt keine Rolle. Dies soll sich mit der `Spin-Elektronik' ändern. Allerdings stehen die Konzepte noch auf dem Papier (z.B. eine neue Schaltungslogik), die erfolgreiche experimentelle Realisierung steht noch aus. Packen wir's an!