Negatiivinen hilakapasitanssi transistoreihin

Tutkijat ovat luoneet negatiivisen kapasitanssin omaavia kiderakenteita. Sellaisen sisällyttäminen edistyneisiin piitransistoreihin voisi tehdä tietokoneista energiatehokkaampia

Tietokoneet saattavat kasvaa pienemmiksi ja tehokkaammiksi, mutta ne vaativat paljon energiaa toimiakseen.

Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä, insinöörit ovat tehneet merkittävän läpimurron transistorin osasten suunnittelussa mikä voisi vähentää merkittävästi niiden energian kulutusta nopeudesta, koosta tai suorituskyvystä tinkimättä.

Hilaoksidiksi kutsutulla komponentilla on keskeinen rooli transistorin kytkemisessä päälle ja pois. "Olemme pystyneet osoittamaan, että hilaoksiditeknologiamme on parempi kuin kaupallisilla transistoreilla", sanoo tutkimuksen vanhempi kirjoittaja Sayeef Salahuddin.

Tämän tehokkuuden lisäyksen tekee mahdolliseksi negatiivinen kapasitanssi, jonka avulla voi vähentää hilavarauksen jännitettä. Salahuddin ennusti teoriassa negatiivisen kapasitanssin olemassaolon vuonna 2008 ja osoitti sen vaikutuksen ensimmäisen kerran ferrosähköisessä kiteessä vuonna 2011.

Uusi tutkimus osoittaa, kuinka negatiivinen kapasitanssi voidaan saavuttaa muokatussa kiteessä, joka koostuu kerrostetusta hafniumoksidi- ja zirkoniumoksidipinosta, joka on helposti yhteensopivia materiaaleja kehittyneiden piitransistorien kanssa.

Negatiivisen kapasitanssin luominen vaatii ferrosähköisien materiaalien ominaisuuden huolellista käsittelyä, mikä tapahtuu, kun materiaalissa on spontaani sähkökenttä. Aikaisemmin vaikutus on saavutettu vain ferrosähköisissä materiaaleissa, joita kutsutaan perovskiiteiksi, joiden kiderakenne ei ole yhteensopiva piin kanssa.

Nyt ryhmä osoitti, että negatiivinen kapasitanssi voidaan saavuttaa myös yhdistämällä hafniumoksidia ja zirkoniumoksidia kiderakenteessa, jota kutsutaan superhilaksi, mikä johtaa samanaikaiseen ferrosähköisyyteen ja antiferrosähköisyyteen.

"Huomasimme, että tämä yhdistelmä todella antaa meille vielä paremman negatiivisen kapasitanssivaikutuksen, mikä osoittaa, että tämä negatiivinen kapasitanssi-ilmiö on paljon laajempi kuin alun perin luultiin", sanoi tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Suraj Cheema, tutkijatohtori UC Berkeleysta.

”Negatiivinen kapasitanssi ei esiinny vain perinteisessä kuvassa ferrosähköisestä dielektristä, mitä on tutkittu viimeisen vuosikymmenen aikana. Voit itse asiassa tehdä vaikutuksen vieläkin vahvemmaksi suunnittelemalla nämä kiderakenteet hyödyntämään antiferrosähköisyyttä yhdessä ferrosähköisyyden kanssa.

Tutkijat havaitsivat, että superhilarakenne, joka koostuu kolmesta zirkoniumoksidin atomikerroksesta, jotka on kerrostettu kahden yksittäisen hafniumoksidin atomikerroksen välissä ja joiden kokonaispaksuus on alle kaksi nanometriä, tarjosi parhaan negatiivisen kapasitanssivaikutuksen.

Testatakseen, kuinka hyvin superhilarakenne toimisi hilaoksidina, tiimi valmisti lyhytkanavaisia transistoreita ja testasi niiden ominaisuuksia. Nämä transistorit toimisivat noin 30 % pienemmällä jännitteellä säilyttäen samalla puolijohdeteollisuuden vertailuarvot ja ilman luotettavuuden heikkenemistä olemassa oleviin transistoreihin verrattuna.

"Tämä työ muuttaa negatiivisen kapasitanssin akateemisesta aiheesta sellaiseksi, jota voitaisiin todella käyttää kehittyneissä transistoreissa.”

Aiheesta aiemmin:

Ferrosähköä atomitasolla

Staattinen negatiivinen kondensaattori

Negatiivista kapasitanssia