Negativ kapacitans kunne bringe mere effektive transistorer

Forskere har eksperimentelt demonstreret, hvordan man udnytter en ejendom kaldet negativ kapacitans til en ny type transistor, der kan reducere strømforbruget, validering af en teori foreslået i 2008 af et team ved Purdue University.

Forskerne brugte en ekstremt tynd, eller 2-D, lag af halvleder molybdendisulfid for at lave en kanal støder op til en kritisk del af transistorer kaldet porten. Derefter brugte de et "ferroelektrisk materiale" kaldet hafniumzirconiumoxid til at skabe en nøglekomponent i den nydesignede port kaldet en negativ kondensator.

Kapacitans, eller opbevaring af elektrisk ladning normalt har en positiv værdi. Imidlertid, ved hjælp af det ferroelektriske materiale i en transistors port muliggør negativ kapacitans, hvilket kan resultere i langt lavere strømforbrug til at betjene en transistor. En sådan innovation kunne bringe mere effektive enheder, der kører længere med en batteriopladning.

Hafniumoxid er nu meget udbredt som dielektrikum, eller isolerende materiale, i portene til nutidens transistorer. Det nye design erstatter hafniumoxidet med hafniumzirkoniumoxid, i arbejde ledet af Peide Ye, Purdues Richard J. og Mary Jo Schwartz Professor i elektrisk og computerteknik.

"Det overordnede mål er at lave mere effektive transistorer, der bruger mindre strøm, især til strømbegrænsede applikationer såsom mobiltelefoner, distribuerede sensorer, og nye komponenter til tingenes internet, "Sagde du.

Resultaterne er detaljeret i et forskningsartikel, der blev offentliggjort den 18. december i tidsskriftet Naturnanoteknologi .

Den originale teori for konceptet blev foreslået i 2008 af Supriyo Datta, den fornemme professor i elektroteknik og computerteknik fra Thomas Duncan, og Sayeef Salahuddin, som på det tidspunkt var doktorand i Purdue og nu er professor i elektroteknik og datalogi ved University of California, Berkeley.

Papirets hovedforfatter var Purdue elektriske og computertekniske doktorand Mengwei Si. Blandt papirets medforfattere er Ye; Ali Shakouri, Mary Jo og Robert L. Kirk Direktør for Purdues Birck Nanotechnology Center og professor i elektrisk og computerteknik; og Muhammad A. Alam, Jai N. Gupta professor i elektrisk og computerteknik, der gav kritiske og vidtgående bidrag til teorien, der beskriver fysikken bag negative kapacitansanordninger.

Transistorer er små switches, der hurtigt tænder og slukker, gør computere i stand til at behandle oplysninger i binær kode. Korrekt slukning er af særlig betydning for at sikre, at der ikke “lækker” strøm. Denne omskiftning kræver normalt mindst 60 millivolt for hver ti gange stigning i strøm, et krav kaldet den termioniske grænse. Imidlertid, transistorer, der udnytter negativ kapacitans, kan bryde denne grundlæggende grænse, skifte ved langt lavere spændinger og resultere i mindre strømforbrug.

Nye fund viser, at det ferroelektriske materiale og den negative kapacitans i porten resulterer i god omskiftning i både til- og frakoblingstilstande. Det nye design opfylder et andet krav:for at transistorer kan tænde og slukke korrekt, må de ikke generere en skadelig elektronisk egenskab kaldet hysterese.

Den negative kapacitans blev skabt med en proces kaldet atomlagsaflejring, som normalt bruges i industrien, gør fremgangsmåden potentielt praktisk til fremstilling.

Undersøgelsen er i gang, og fremtidigt arbejde vil undersøge, om enhederne tænder og slukker hurtigt nok til at være praktiske til kommercielle applikationer med ultrahøj hastighed.

"Imidlertid, selv uden ultrahurtig skift, enheden kan stadig have en transformativ indvirkning på en lang række enheder, der kan fungere med lavere frekvens og skal fungere med lave effektniveauer, "Sagde du.