Snelheidsrecord elektrische stroom door halfgeleider

Omdat we almaar sneller willen rekenen, moeten ook micro-elektronische componenten en schakelingen steeds sneller worden. Dat gebeurt in de eerste plaats door de componenten zo efficiënt mogelijk met elkaar te verbinden, opdat de elektronen die voor de 'communicatie' zorgen geen nutteloze omwegen hoeven te maken.

Een alternatieve oplossing is de elektronen zelf sneller door het halfgeleider materiaal te jagen, bijvoorbeeld door de trillende atomen stil te zetten. Maar dat lukt alleen bij heel lage temperaturen en levert dus in de praktijk wat problemen op.

Wat dan nog als enige uitkomst kan bieden, is het gebruik van zo zuiver mogelijke materialen. Daarin worden de elektronen immers zo min mogelijk door defecten in het kristalrooster van het rechte pad af gebracht. Tot nu toe werden de hoogste snelheden bereikt in het voormalige Bell Labs in de Verenigde Staten, waar elektronen in 1989 met een snelheid van zo'n 117.000 meter per seconde door galliumarsenide raasden. Dat record is nu pas door collega's van het Israelische Weizmann Instituut gebroken. Zij brachten het onlangs op 144.000 meter per seconde (Applied Physics Letters, 5 augustus 1997).

Het galliumarsenide (GaAs) begint langzaam silicium te verdringen als belangrijkste halfgeleidermateriaal in de chipindustrie. De elektronen bewegen zich er sneller doorheen en bovendien kan het zelf licht uitzenden en absorberen. Zo wordt het al toegepast in draagbare telefoons en in CD-spelers, waar het de kern van de halfgeleiderlaser vormt. Ten slotte is GaAs ook nog eens beter bestand tegen kosmische straling, waardoor het ook de voorkeur verdient in satelliettoepassingen. Om het materiaal zo zuiver te krijgen - slechts één vreemd atoom op vijf miljard gallium en arseen atomen - werd gebruik gemaakt van een uniek vacuümsysteem, waarmee drukken kunnen worden bereikt van 10 atmosfeer. En terwijl de pompen hun werk uitvoerden bij de temperatuur van vloeibaar helium - vier graden boven het absolute nulpunt - werd het GaAs gegroeid bij zo'n 650 °C: een enorm temperatuurverschil.

Aangezien de nu bereikte snelheden nog altijd minder dan een promille zijn van de lichtsnelheid, kan het bijna niet anders of de computer-van-de-toekomst bestaat volledig uit optische componenten. En hoewel daar op allerlei manieren hard aan wordt gewerkt, zal het nog wel even duren voordat deze in de praktijk op een chip gerealiseerd is. Tot die tijd zullen we het met trage elektronen moeten blijven doen.