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Transistoren erreichen Terahertz-Geschwindigkeiten
Kohlenstoffnanoröhren-MOSFETs, die über 1 THz arbeiten und ultraschnelle drahtlose Kommunikation, Hochgeschwindigkeitsrechnen und Radarsysteme der nächsten Generation versprechen.
Forscher der Peking-Universität, der Xiangtan-Universität und der Zhejiang-Universität haben eine neue Generation von MOSFETs auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) entwickelt, die bei Terahertz-Frequenzen (THz) arbeiten können und die Transistorleistung weit über die herkömmlichen Siliziumgrenzen hinaus steigern.Diese Geräte könnten den Weg für ultraschnelle drahtlose Kommunikation, Hochgeschwindigkeitsrechnen und Radarsysteme der nächsten Generation ebnen.
Herkömmliche Siliziumtransistoren erreichen ihre maximale Frequenz bei 100–300 GHz, was für aktuelle Wireless- und Computeranwendungen ausreichend ist, für neue 6G-Technologien jedoch eine Grenze darstellt.Die neu entwickelten CNT-basierten MOSFETs überschreiten 1 THz und ermöglichen eine Signalumschaltung
CNTs – zylindrische Nanostrukturen aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind – werden für ihre außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit und mechanische Robustheit geschätzt.Durch die Ausrichtung von Filmen halbleitender CNTs stellte das Forschungsteam MOSFETs her, die eine hohe Ladungsträgermobilität mit beeindruckendem Durchlassstrom und Transkonduktanz kombinieren.Optimierte Gate-Strukturen, einschließlich innovativer Y-förmiger Gates, führten zu Geräten mit Gate-Längen von nur 35–80 nm und erreichten Grenzfrequenzen von bis zu 551 GHz und maximale Oszillationsfrequenzen über 1 THz.
Das Team demonstrierte auch praktische Anwendungen, indem es Millimeterwellen-Hochfrequenzverstärker (mmWave) mithilfe von CNT-MOSFETs entwickelte.Diese mit 30 GHz betriebenen Verstärker lieferten Verstärkungen von über 21 dB und steigerten die Signalstärke zuverlässig um mehr als das Hundertfache.Diese Leistung unterstreicht das Potenzial von CNT-Arrays nicht nur für digitale Schaltkreise, sondern auch für analoge THz-Systeme, einschließlich ultraschneller drahtloser Sender und Empfänger.
Die Forschung zeigt, wie sorgfältige Materialausrichtung, Gate-Technik und Fertigungsverbesserungen CNT-MOSFETs von experimentellen Geräten in Hochleistungskomponenten verwandeln können, die für die Elektronik der nächsten Generation bereit sind.Zukünftige Arbeiten könnten ihren Einsatz auf THz-Sensorik, Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungen und fortschrittliche Radarsysteme ausweiten und möglicherweise die Geschwindigkeit und Effizienz der elektronischen Kommunikation neu definieren.
„Ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhrenfilme könnten als Rückgrat sowohl für digitale integrierte Schaltkreise als auch für analoge Terahertz-Geräte dienen“, stellten die Autoren fest und betonten, dass ihr Ansatz die Frequenzbeschränkungen überwindet, die bei früheren CNT-Transistordesigns beobachtet wurden.