Hardware für Quantencomputer

Welche Aussage beschreibt eine Änderung der MOSFET-Eigenschaften bei tiefer Temperatur richtig, die beim Entwurf von Kryo-CMOS-Schaltungen zu berücksichtigen ist, mit denen die Qubit-Steuerelektronik bei etwa 4 K betrieben wird?

  1. ADie Schwellspannung steigt, und der Subthreshold-Swing nimmt ab (der Strom schaltet steiler ein), daher lassen sich für Raumtemperatur erstellte Transistormodelle nicht unverändert verwenden
  2. BDie Ladungsträgerbeweglichkeit sinkt, und der Subthreshold-Leckstrom wird größer als bei Raumtemperatur
  3. CSilizium wird supraleitend, sodass der Kanalwiderstand auf null fällt
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Antwort: A. Die Schwellspannung steigt, und der Subthreshold-Swing nimmt ab (der Strom schaltet steiler ein), daher lassen sich für Raumtemperatur erstellte Transistormodelle nicht unverändert verwenden

Bei tiefer Temperatur nimmt die Streuung an Gitterschwingungen (Phononen) ab, sodass die Ladungsträgerbeweglichkeit steigt, und auch der Leckstrom sinkt stark. Gleichzeitig steigt die Schwellspannung, und der Subthreshold-Swing nimmt ab, sättigt aber bei einem Wert, der viel größer ist als der theoretische Wert (k_B T/q) ln 10 (etwa 0,8 mV/dec bei 4 K). Hinzu kommen weitere Effekte wie das Ausfrieren der Ladungsträger (Freeze-out) und eine größere Streuung der Bauelemente; Schaltungen werden daher mit Modellen entworfen, die aus bei tiefer Temperatur gemessenen Eigenschaften neu erstellt wurden. Auch die Leistungsaufnahme muss in die Kühlleistung der 4-K-Stufe (grob 1 W) passen.

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