09.12.2011
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 quantisiert. Sein Wert RH = h/e2 ist dabei allein durch die zwei Naturkonstanten h (Plancksches Wirkungsquantum) und e (Elementarladung) bestimmt. Die Erzeugung einer quantisierten Spannung basierend auf Halbleiterbauteilen war allerdings bislang nicht möglich. Solche quantisierten Spannungen ließen sich bislang nur mit Hilfe des in supraleitenden Schaltungen auftretenden Josephson-Effekts realisieren.
In den letzten Jahren wurden an der PTB halbleiterbasierte quantisierte Stromquellen, so genannte Einzelelektronenpumpen, entwickelt. Angetrieben von einer Wechselspannung der Frequenz f erzeugen diese Pumpen einen Strom der Größe I = n∙e∙f. Dabei ist n die pro Pumpzyklus transportierte Anzahl von Elektronen. Kombiniert man die Einzelelektronenpumpen mit einem Quanten-Hall-Widerstand in einer integrierten Halbleiter-Quantenschaltung (siehe Bild), so sollte diese eine quantisierte Ausgangsspannung von V = n∙(h/e)∙f erzeugen. Interessanterweise ist diese Ausgangsspannung im Prinzip identisch mit der Ausgangsspannung einer supraleitenden Josephson-Schaltung, basiert 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 nur eine Hochfrequenz-Wechselspannung (AC) 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 im Prinzip um bis zu einem Faktor 1000 erhöht werden. Die so erhöhte Quantenspannung könnte dann z.B. für grundlegende metrologische Experimente genutzt werden.
Bild:
Oben: Prinzipskizze der Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle. Über einem schmalen Halbleiterkanal liegen drei Kontrollelektroden (G1-3), von denen zwei mit DC-Spannungen V1/2 angesteuert werden. Die zusätzliche AC-Modulation an der Elektrode G1 führt zur Erzeugung des quantisierten Stroms, der im anschließenden Quanten-Hall-Widerstand eine quantisierte Spannung erzeugt.
Unten: Messung der quantisierten Spannung bei Variation der Kontrollspannungen. Über einen großen Bereich der Kontrollspannungen wird eine quantisierte Spannung (grün) erzeugt.
Ansprechpartner: F. Hohls
Fachbereich 2.5 : Halbleiterphysik und Magnetismus