Warum Transistoren kaputt gehen

  • Transistoren untersucht: Sauerstoffatome sind in der Illustrierung rot, Siliziumatome gelb dargestellt. Durch die Schwingung des Gitters werden auch die elektronischen Zustände (Elektronenverteilung: blau) verändert.
    illu.: tu wien

    Transistoren untersucht: Sauerstoffatome sind in der Illustrierung rot, Siliziumatome gelb dargestellt. Durch die Schwingung des Gitters werden auch die elektronischen Zustände (Elektronenverteilung: blau) verändert.

Tibor Grasser von der TU Wien wird für seine Untersuchungen mit dem Paul-Rappaport-Award ausgezeichnet

Wien - Transistoren gehören zu den wichtigsten elektronischen Bauteilen - sie haben allerdings eine begrenzte Lebenserwartung. Sie gehen jedoch meist nicht abrupt kaputt, sondern werden langsam schlechter, bis das Gerät irgendwann gar nicht mehr funktioniert. Die Antwort, warum das so ist, liegt auf atomarer Ebene. Forschungen an der Technischen Universität (TU) Wien haben zu einem Paradigmenwechsel bei der Ursache für Transistor-Versagen geführt: Es ist der Sauerstoff und nicht der Wasserstoff, wie Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik zeigen konnte. Das teilte die TU Wien am Montag in einer Aussendung mit.

Tests: Hitze und hohe Spannungen

Um die Lebensdauer elektronischer Bauteile abschätzen zu können, werden sie Tests unter besonders erschwerten Bedingungen unterzogen. Man erhitzt sie etwa auf 200 Grad Celsius und legt hohe Spannungen an. Das reduziert die Lebensdauer der Bauteile von Jahren auf Wochen oder Tage. Um aus solchen Experimenten Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie sich die Transistoren unter normalen Bedingen verhalten würden, müssen die Forscher die dabei ablaufenden Prozesse genau verstehen.

Damit ein Transistor Strom leitet, muss eine gewisse Spannung angelegt werden. Wie hoch diese Spannungsschwelle ist, kann sich mit der Zeit ändern. Bisher vermutete man, dass Wasserstoffatome der Grund dafür sind, aber: "Wenn man sich die experimentellen Daten genauer ansieht, die in den letzten Jahren gesammelt wurden, muss man erkennen, dass dieses Modell nicht wirklich stimmen kann", so Grasser.

Aufbau moderner Feldeffekt-Transistoren

Moderne Feldeffekt-Transistoren sind wie ein Sandwich aufgebaut, aus Schichten von Silizium und Siliziumoxid. An den Grenzflächen gibt es einzelne Atome, denen ein Bindungspartner fehlt - an diese freien Stellen docken Wasserstoffatome an. Bisher dachte man, dass diese Wasserstoffatome an der temperaturabhängigen Zerstörung der Transistoren schuld sind: Wenn der Wasserstoff nämlich abgelöst wird und sich von der Grenzfläche fortbewegt, dann entstehen geladene Defekte an der Oberfläche. Einzelne elektrische Ladungsträger im Transistor können die Spannung erhöhen, die angelegt werden muss, um Strom passieren zu lassen.

Grasser hat nun herausgefunden, dass Oxid-Defekte im Halbleiter die Ursache der Degeneration sind. "Silizium-Oxid bildet kleine Tetraeder, wo manchmal allerdings ein Sauerstoff-Atom fehlt", so der Wissenschafter. Auch das verursache punktuelle Ladungen und erhöhe die nötige Schwellenspannung.

Die internationale Elektrotechnik-Vereinigung IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) hat Grasser eingeladen, zum Thema der temperaturabhängigen Transistor-Degradation die eigenen Arbeiten der vergangenen sechs Jahre zusammenzufassen. Diese Arbeit wurde nun aus den über 600 in den Journalen der IEEE Electron Devices Society erschienen Publikationen als beste ausgewählt und mit dem Paul Rappaport-Award prämiert. (APA, 10.12.2012)

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