Onderzoekers hebben experimenteel aangetoond hoe ze een eigenschap genaamd negatieve capaciteit kunnen benutten voor een nieuw type transistor dat het stroomverbruik zou kunnen verminderen, het valideren van een theorie die in 2008 werd voorgesteld door een team aan de Purdue University.

De onderzoekers gebruikten een extreem dunne, of 2-D, laag van de halfgeleider molybdeendisulfide om een ​​kanaal te maken dat grenst aan een cruciaal onderdeel van de transistors, de poort genoemd. Daarna gebruikten ze een "ferro-elektrisch materiaal", hafniumzirkoniumoxide genaamd, om een ​​sleutelcomponent in de nieuw ontworpen poort te creëren, een negatieve condensator.

Capaciteit, of de opslag van elektrische lading, heeft normaal gesproken een positieve waarde. Echter, het gebruik van het ferro-elektrische materiaal in de poort van een transistor zorgt voor negatieve capaciteit, wat zou kunnen resulteren in een veel lager stroomverbruik om een ​​transistor te laten werken. Een dergelijke innovatie zou kunnen zorgen voor efficiëntere apparaten die langer meegaan op een batterijlading.

Hafniumoxide wordt nu veel gebruikt als diëlektricum, of isolatiemateriaal, in de poorten van de hedendaagse transistors. Het nieuwe ontwerp vervangt het hafniumoxide door hafniumzirkoniumoxide, in het werk geleid door Peide Ye, Purdue's Richard J. en Mary Jo Schwartz hoogleraar elektrische en computertechniek.

"Het overkoepelende doel is om efficiëntere transistors te maken die minder stroom verbruiken, vooral voor toepassingen met beperkte stroom, zoals mobiele telefoons, gedistribueerde sensoren, en opkomende componenten voor het internet der dingen, " zei je.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper dat op 18 december in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie .

De oorspronkelijke theorie voor het concept werd in 2008 voorgesteld door Supriyo Datta, de Thomas Duncan Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering, en Sayeef Salahuddin, die destijds een Purdue-doctoraatsstudent was en nu hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen is aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

De hoofdauteur van het artikel was Purdue elektro- en computertechniek doctoraalstudent Mengwei Si. Onder de co-auteurs van het papier zijn Ye; Ali Shakouri, de Mary Jo en Robert L. Kirk directeur van Purdue's Birck Nanotechnology Center en een professor in elektrische en computertechniek; en Mohammed A. Alam, de Jai N. Gupta hoogleraar elektrische en computertechniek, die kritische en brede bijdragen leverde aan de theorie die de fysica achter apparaten met negatieve capaciteit beschrijft.

Transistors zijn kleine schakelaars die snel aan en uit gaan, computers in staat stellen om informatie in binaire code te verwerken. Het correct uitschakelen is van bijzonder belang om ervoor te zorgen dat er geen elektriciteit "doorlekt". Dit schakelen vereist normaal gesproken minimaal 60 millivolt voor elke tienvoudige toename van de stroom, een vereiste genaamd de thermionische limiet. Echter, transistors die negatieve capaciteit gebruiken, kunnen deze fundamentele limiet doorbreken, schakelen op veel lagere spanningen en resulteren in minder stroomverbruik.

Nieuwe bevindingen tonen aan dat het ferro-elektrische materiaal en de negatieve capaciteit in de poort resulteren in goed schakelen in zowel de aan- als uittoestanden. Het nieuwe ontwerp vervult een andere eis:om ervoor te zorgen dat de transistors goed kunnen in- en uitschakelen, mogen ze geen schadelijke elektronische eigenschap genereren die hysterese wordt genoemd.

De negatieve capaciteit is gemaakt met een proces dat atomaire laagafzetting wordt genoemd, die veel wordt gebruikt in de industrie, waardoor de aanpak potentieel praktisch is voor productie.

Het onderzoek loopt, en toekomstig werk zal onderzoeken of de apparaten snel genoeg in- en uitschakelen om praktisch te zijn voor commerciële toepassingen met ultrahoge snelheid.

"Echter, zelfs zonder ultrasnel schakelen, het apparaat kan nog steeds een transformerende impact hebben in een breed scala aan apparaten die mogelijk met een lagere frequentie werken en met een laag vermogen moeten werken, " zei je.