Negativ kapacitans kan medföra effektivare transistorer

Superheating and Subcooling PART 2 (Maj 2019).

Anonim

Forskare har experimentellt visat hur man kan utnyttja en egenskap som kallas negativ kapacitans för en ny typ av transistor som kan minska strömförbrukningen och validera en teori som föreslog 2008 av ett team på Purdue University.

Forskarna använde ett extremt tunt eller 2-D lager av halvledarmolybdendisulfiden för att göra en kanal intill en kritisk del av transistorer som kallas grinden. Sedan använde de ett "ferroelektriskt material" som kallades hafnium zirkoniumoxid för att skapa en nyckelkomponent i den nyutvecklade grinden kallad en negativ kondensator.

Kapacitans, eller lagring av elektrisk laddning, har normalt ett positivt värde. Användning av det ferroelektriska materialet i en transistors grind tillåter emellertid negativ kapacitans, vilket kan resultera i mycket lägre strömförbrukning för att driva en transistor. En sådan innovation skulle kunna ge mer effektiva enheter som löper längre på batteriladdning.

Hafniumoxid används nu allmänt som det dielektriska eller isolerande materialet i portarna till dagens transistorer. Den nya designen ersätter hafniumoxiden med hafniumzirkoniumoxid, i arbetet leds av Peide Ye, Purdues Richard J. och Mary Jo Schwartz professor i elektroteknik och datateknik.

"Det övergripande målet är att göra mer effektiva transistorer som förbrukar mindre kraft, särskilt för kraftbegränsade applikationer som mobiltelefoner, distribuerade sensorer och nya komponenter för internet av saker", sa du.

Resultatet är detaljerat i ett forskningspapper som publicerades den 18 december i tidskriften Nature Nanotechnology.

Den ursprungliga teorin för konceptet föreslogs 2008 av Supriyo Datta, Thomas Duncan Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering, och Sayeef Salahuddin, som vid tidpunkten var en Purdue doktorand och är nu professor i elektroteknik och datavetenskap på University of California, Berkeley.

Papers huvudförfattare var Purdue el- och datorteknik doktorand Mengwei Si. Bland papperets medförfattare är Ye; Ali Shakouri, Mary Jo och Robert L. Kirk direktör för Purdues Birck Nanotechnology Center och en professor i elektroteknik och datorteknik; och Muhammad A. Alam, Jai N. Gupta Professor i elektroteknik och datateknik, som gjorde kritiska och omfattande bidrag till teorin som beskriver fysiken bakom negativa kapacitansanordningar.

Transistorer är små växlar som snabbt slås på och av, vilket gör det möjligt för datorer att bearbeta information i binär kod. Att stänga av är av särskild betydelse för att ingen elektricitet ska "läcka" genom. Denna omkoppling kräver normalt minst 60 millivolts för varje tiofaldig ökning av ström, ett krav som kallas termiongränsen. Transistorer som utnyttjar negativ kapacitans kan dock bryta denna grundläggande gräns, växla vid mycket lägre spänningar och resultera i mindre strömförbrukning.

Nya fynd visar det ferroelektriska materialet och negativ kapacitans i grinden resulterar i bra omkoppling i både på och av tillstånd. Den nya designen uppnår ett annat krav: för att transistorerna ska kunna sätta på och stänga ordentligt, får de inte generera en skadlig elektronisk egenskap som kallas hysteres.

Den negativa kapacitansen skapades med en process som kallas atomlagsavsättning, som vanligen används inom industrin, vilket gör att strategin är potentiellt praktisk för tillverkning.

Forskningen pågår, och det framtida arbetet ska undersöka huruvida enheterna slås på och stängs av tillräckligt snabbt för att vara praktisk för kommersiella applikationer med hög hastighet.

"Men även om det inte hade någon ultrasnabb omkoppling kunde enheten fortfarande ha en transformativ effekt i ett brett spektrum av enheter som kan fungera vid lägre frekvens och måste fungera med låga effektnivåer, " sa du.

menu
menu