Исследователи из университета Пурду (Purdue University) получили первые экспериментальные подтверждения того, что эффект так называемой «отрицательной электрической емкости» может увеличить быстродействие и уменьшить расход энергии транзисторами, базовыми компонентами всех современных электронных чипов. Данное достижение является первым экспериментальным подтверждением идеи «отрицательной емкости» выдвинутой группой ученых из этого же университета еще в 2008 году.

В своей работе исследователи использовали тончайший, условно двухмерный слой молибденита, дисульфида молибдена, полупроводникового материала, из которого был изготовлен канал транзистора, смежный с управляющим электродом, затвором. В качестве диэлектрического слоя, отделяющего канал от затвора, использовался слой окиси циркония-гафния, сегнетоэлектрического материала, являющегося основой конденсатора с отрицательной емкостью. Отметим, что в большинстве современных транзисторов в качестве материала диэлектрического слоя используется оксид гафния.

Обычно электрическая емкость, базовый параметр большинства электронных компонентов, имеет положительное значение. Именно емкость между затвором и каналом полевого транзистора определяет быстродействие транзистора и количество энергии, требующееся для переключения транзистора из одного состояния в другое. Перевод этой емкости в область отрицательных значений означает существенное сокращение количества потребляемой транзистором энергии, а это, в свою очередь, означает, что электронные устройства с такими транзисторами смогут работать гораздо дольше на одном заряде аккумуляторных батарей.

Полученные исследователями экспериментальные данные указывают на то, что отрицательная емкость затвора позволяет транзисторам обойти ограничения так называемого темоэлектронного предела, определяющего то, что для десятикратного увеличения тока, текущего через канал транзистора, требуется увеличение потенциала на затворе на 60 милливольт. Помимо этого, у новых транзисторов отсутствует вредный параметр, называемый гистерезисом переключения, наличие которого обуславливает дополнительный расход энергии транзистором при переключении из одного состояния в другое.

Отрицательная емкость затвора получена в результате процесса, называемого смещением атомных слоев. Этот процесс уже используется в электронной промышленности достаточно широко, что позволит наладить производство новых транзисторов без каких-либо серьезных затруднений.

В своей дальнейшей работе ученые намерены произвести измерения реального быстродействия транзисторов с отрицательной емкостью затвора. Согласно предварительным расчетам, быстродействие таких транзисторов должно находиться не ниже уровня, необходимого для возможности их практического применения в микропроцессорной технике, но на самом деле может оказаться то, что быстродействие таких транзисторов может быть ограничено какими-то экзотическими эффектами и явлениями, о которых ученые еще ничего не знают.

«Однако, даже без возможности сверхскоростного переключения транзисторы с отрицательной емкостью затвора могут стать революцией в электронных устройствах определенного типа, которые работают на относительно низких частотах. Благодаря новым транзисторам эти устройства будут потреблять меньшее количество энергии и смогут работать на одном заряде батарей гораздо большее время, чем их аналоги с обычными транзисторами» — пишут исследователи.