Mehrstufige ballistische Gleichrichter auf Si/SiGe-Heteroschichten

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Knoch, seit 7/2021
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397194044

Mehrstufige ballistische Gleichrichter werden auf modulationsdotierten Si/SiGe-Heterostrukturen präpariert. Deren Einzelstufen bestehen aus asymmetrischen nanoskaligen Kreuzstrukturen, in denen ein linear steigender Eingangsstrom eine parabolisch steigende Ausgangsspannung hervorruft. Dementsprechend ist die Polarität der Ausgangsspannung unabhängig von der des Eingangsstroms. Der Mechanismus dieser Vollwellengleichrichtung beruht auf der stationären Aufladung des stromfreien Spannungskanals über die Distanz der Impulsrelaxationslänge (IRL), sofern diese größer ist als die laterale Abmessung der Kreuzungsstelle. Da die Ausgangsspannung je Stufe maximal wenige mV erreicht, sind für technische Anwendungen viele Gleichrichterstufen erforderlich. In diesem Vorhaben wird der kürzlich publizierte Effekt der Addition der Eingangsströme ausgenutzt, der bei Abständen zwischen den Stufen kleiner als die IRL auftritt und wegen der quadratischen Transferkennlinie bei zweistufigen Gleichrichtern einen Synergiegewinn in der Ausgangsspannung um den Faktor zwei erzeugt. Daher werden die Stufen so dicht wie möglich angeordnet. Durch Messungen im nichtlinearen Transportregime bei tiefer Temperatur wird zunächst die Gleichrichtereffizienz der Einzelstufen bestimmt. Wie aus Untersuchungen an dicht positionierten zweistufigen ballistischen Gleichrichtern vermutet wird, wird die Effizienz der einzelnen Gleichrichterstufe durch eine wechselseitige Störung der die asymmetrische Kreuzung definierende Potentiallandschaft verschlechtert. Dieses Problem soll durch eine verbesserte Geometrie so weit wie möglich behoben werden. Entsprechend optimierte mehrstufige Gleichrichter werden hinsichtlich ihrer Stromadditionseffekte im Temperaturbereich von 4 K bis 120 K untersucht. Schließlich wird die für eine Annäherung der Ausgangsspannung an die Eingangsspannung erforderliche Anzahl von Gleichrichterstufen ermittelt. Entsprechend hergestellte vielstufige Gleichrichter werden hinsichtlich der für eine Nutzung als technisches Bauelement relevanten Parameter charakterisiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Kunze, bis 6/2021