Forskare har experimentellt demonstrerat hur man utnyttjar en egenskap som kallas negativ kapacitans för en ny typ av transistor som kan minska strömförbrukningen, validerar en teori som föreslogs 2008 av ett team vid Purdue University.

Forskarna använde en extremt tunn, eller 2-D, lager av halvledarmolybden -disulfid för att göra en kanal intill en kritisk del av transistorer som kallas grinden. Sedan använde de ett "ferroelektriskt material" som kallas hafniumzirkoniumoxid för att skapa en nyckelkomponent i den nydesignade grinden som kallas en negativ kondensator.

Kapacitans, eller lagring av elektrisk laddning, har normalt ett positivt värde. Dock, med hjälp av det ferroelektriska materialet i en transistors grind möjliggör negativ kapacitans, vilket kan leda till mycket lägre strömförbrukning för att driva en transistor. En sådan innovation kan ge effektivare enheter som fungerar längre med batteriladdning.

Hafniumoxid används nu allmänt som dielektrikum, eller isolerande material, i portarna till dagens transistorer. Den nya designen ersätter hafniumoxiden med hafniumzirkoniumoxid, i arbete som leds av Peide Ye, Purdues Richard J. och Mary Jo Schwartz professor i el- och datateknik.

"Det övergripande målet är att göra effektivare transistorer som förbrukar mindre ström, särskilt för strömbegränsade applikationer som mobiltelefoner, distribuerade sensorer, och nya komponenter för sakernas internet, "Sa ni.

Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som publicerades den 18 december i tidskriften Naturnanoteknik .

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

Tidningens huvudförfattare var Purdue elektriska och datatekniska doktorand Mengwei Si. Bland tidningens medförfattare finns Ye; Ali Shakouri, Mary Jo och Robert L. Kirk Direktör för Purdues Birck Nanotechnology Center och professor i el- och datateknik; och Muhammad A. Alam, Jai N. Gupta professor i el- och datateknik, som gjorde kritiska och omfattande bidrag till teorin som beskriver fysiken bakom enheter med negativ kapacitans.

Transistorer är små switchar som snabbt slås på och av, gör det möjligt för datorer att bearbeta information i binär kod. Korrekt avstängning är av särskild vikt för att säkerställa att ingen el "läcker" igenom. Denna omkoppling kräver normalt minst 60 millivolts för varje tiofaldig strömökning, ett krav som kallas den termjoniska gränsen. Dock, transistorer som utnyttjar negativ kapacitans kan bryta denna grundläggande gräns, växla vid mycket lägre spänningar och resultera i lägre strömförbrukning.

Nya fynd visar det ferroelektriska materialet och den negativa kapacitansen i grinden resulterar i bra omkoppling i både på och av tillstånd. Den nya designen uppnår ett annat krav:för att transistorerna ska slås på och av korrekt får de inte generera en skadlig elektronisk egenskap som kallas hysteres.

Den negativa kapacitansen skapades med en process som kallas atomlageravsättning, som vanligtvis används inom industrin, att göra tillvägagångssättet potentiellt praktiskt för tillverkning.

Forskningen pågår, och framtida arbete kommer att undersöka om enheterna slås på och av tillräckligt snabbt för att vara praktiska för kommersiella applikationer med extremt hög hastighet.

"Dock, även utan ultrasnabb växling, enheten kan fortfarande ha en transformativ effekt i ett brett spektrum av enheter som kan fungera med lägre frekvens och måste fungera med låga effektnivåer, "Sa ni.