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Symbolbild "Zeitschriften"

Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle

Besonders interessant für:
  • Metrologieinstitute
  • Halbleiterindustrie

In der PTB wurde erstmals mit einer integrierten Halbleiterschaltung eine quantisierte Spannung erzeugt. Dies gelang durch Verbindung einer Einzelelektronenpumpe und eines Quanten- Hall-Widerstands auf einem Halbleiterchip. Bislang lassen sich solche quantisierten Spannungen nur mittels supraleitender Schaltungen erzeugen.

Prinzipskizze der Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle.Über einem schmalen Halbleiterkanal liegen drei Kon­troll­elek­tro­den G1 bis G3, von denen zwei mit Gleich­spannun­gen (V1, V2) an­ge­steu­ert werden. Die zu­sätz­li­che Wechsel­span­nungs­modulation VAC an der Elek­trode G1 führt zur Er­zeu­gung des quan­ti­sier­ten Stroms, der im anschließenden Quanten-­Hall-­Widerstand eine quanti­sier­te Spannung Vout er­zeugt.

Halbleiter stellen seit Jahrzehnten das wichtigste Materialsystem für elektronische Schaltungen und IT-Anwendungen dar. Auch im Bereich der elektrischen Metrologie werden Halbleiter routinemäßig zur Reproduzierung des Widerstandes verwendet: Aufgrund des Quanten- Hall-Effekts ist der Hall-Widerstand RH in speziellen Halbleiterproben im Magnetfeld B quantisiert. Sein Wert RH = h/e2 ist dabei allein durch die zwei Naturkonstanten h (Planck'sches Wirkungsquantum) und e (Elementarladung) bestimmt. Die Erzeugung einer quantisierten Spannung basierend auf Halbleiterbauteilen war allerdings bislang nicht möglich. Solche quantisierten Spannungen ließen sich nur mithilfe des in supraleitenden Schaltungen auftretenden Josephson-Effekts realisieren.

In den letzten Jahren wurden in der PTB halbleiterbasierte quantisierte Stromquellen, sogenannte Einzelelektronenpumpen, entwickelt. Angetrieben von einer Wechselspannung der Frequenz ƒ erzeugen diese Pumpen einen Strom der Größe I = e · ƒ, wenn pro Pumpzyklus ein einzelnes Elektron transportiert wird. Kombiniert man die Einzelelektronenpumpen mit einem Quanten-Hall-Widerstand in einer integrierten Halbleiter-Quantenschaltung (siehe Bild), erhält man eine quantisierte Ausgangsspannung von Vout = (h/e) · ƒ. Interessanterweise ist diese Ausgangsspannung im Prinzip identisch mit der Ausgangsspannung einer supraleitenden Josephson-Schaltung, beruht allerdings auf gänzlich unterschiedlichen physikalischen Effekten.

Kürzlich konnte erstmals die Erzeugung einer quantisierten Spannung mit einer solchen integrierten Halbleiter- Quantenschaltung experimentell demonstriert werden. Dazu wurden die Einzelelektronenpumpe und der Quanten- Hall-Widerstand mit einem gemeinsamen Herstellungsverfahren aus einem Halbleiter-Schichtsystem auf einem Chip gefertigt. Zum Betrieb des im Bild schematisch dargestellten Bauelements sind nur zwei Gleichspannungen und eine Hochfrequenz-Wechselspannung zur Kontrolle der Einzelelektronenpumpe nötig. Das Bauteil zeigt eine robuste Quantisierung der Ausgangsspannung bis zu Frequenzen von einigen GHz, wodurch Ausgangsspannungen bis zu 10 μV erzeugt werden konnten.

Zukünftig soll die Ausgangsspannung der neuartigen Halbleiter-Quanten- Spannungsquelle noch deutlich gesteigert werden. So kann die Ausgangsspannung durch Parallelschaltung mehrerer Einzelelektronenpumpen sowie durch Serienschaltung mehrerer Quanten-Hall- Widerstände auf dem Halbleiterchip um bis zu einem Faktor 1000 erhöht werden. Die so erhöhte Quantenspannung könnte dann für grundlegende Experimente wie etwa den Schluss des metrologischen Dreiecks genutzt werden.

Ansprechpartner:

Frank Hohls,
Fachbereich 2.5 Halbleiterphysik und Magnetismus
Telefon: (0531) 592-2410
E-Mail: frank.hohls(at)ptb.de