澳大利亚研究人员发现,负电容可以降低电子和计算中使用的能量,代表全球电力需求的8%。
研究的作者离开马克·埃德蒙兹博士和教授对迈克尔的元首(莫纳什大学物理学和天文学学院)。图片来源:舰队
四所大学的研究人员在ARC卓越中心在未来的低能电子技术(船队)应用负电容以较低的电压,使拓扑晶体管开关可能减少能源损失的十倍或更多。
这些非常有前途的结果报告本周在著名的国际会议在旧金山电子设备。虽然挑战依然存在工作台式设备,覆盖在一个专利申请工作。
晶体管是什么?
晶体管是一种电子开关。它有三个终端,或连接:电压应用于门终端控制电流可以在其他两个终端之间流动(称为源和漏终端)。电脑芯片的晶体管可以“on”(即当前可以流)或“关闭”(当前被阻塞),代表“1”和“0”所需的二进制逻辑运算。
开关晶体管需要浪费每一次极少量的电能。但随着计算机芯片,使我们所有的电子设备工作包含数百万甚至数十亿的晶体管,所有开关数十亿次(在兆赫频率),这意味着大量的能量被浪费的热量。“这就是为什么你的手机或笔记本电脑变热,当你做一些需要大量的计算,如处理视频,”舰队研究员Michael教授说元首(纳什)。
所有在一起,信息通信技术(ICT)消耗约8%的全球电力供应——每十年翻一番惊人数量的电。根据半导体在2020年发布的十年计划,不断上升的能源需求之间的不平衡ICT和可用的能源将在计算的强烈限制未来的增长。
今天的电脑芯片都是由硅半导体。通常是绝缘体,半导体材料不导电。亚博网站下载然而,添加一些额外的电荷半导体使其行为。硅的这种能力的“开关”,是基于场效应晶体管(FET):门连接由一个电容器运行在源极和漏极之间一片半导体终端。电容器电压门指控,半导体上的额外费用允许电流从源流失。
拓扑绝缘体
而非硅,舰队人员正在与新型量子材料亚博网站下载拓扑绝缘体。这些材料是绝亚博网站下载缘的内饰,但导电的界限:如果他们是三维然后他们进行二维表面,如果他们很薄(二维)他们一起进行一维边缘。
拓扑晶体管
舰队的研究人员发现,电场可以用来切换拓扑绝缘体的材料(导电沿着它的边缘)正常绝缘子(根本不进行)。这允许一个拓扑材料用作晶体管,称为拓扑量子场效应晶体管(TQFET)。
今年早些时候,舰队人员发现TQFET可以比传统的场效应晶体管开关电压较低,克服所谓的“玻耳兹曼的暴政”设置的下限电压必须在室温下开关电流。舰队研究员穆罕默德Nadeem(伍伦贡大学)解释说,“低压切换是由于一个叫做旋轨道耦合效应,这是更强的铋等更重的元素。我们发现bismuth-based TQFETs可以开关电压的一半,四分之一的能量,同等规模的传统场效应晶体管”。
最近研究小组发现他们可以降低电压,和能量,进一步通过使用一个电容连接拓扑材料非门终端。
电容是负的呢?
电容器由由绝缘体分开的两个导体组成。它有一个电容C,表达的电荷量Q之间的金属V电压时:C = Q / V。通常这是一个正数。如果是负数,电容器将固有的不稳定,想要没有施加任何外部电压充电。
但这正是一个铁电材料做的;它具有自发极化,指控其表面。所以一种铁电材料可以被认为是有一个负电容在一定制度,虽然这个政权不能正常访问,因为它是不稳定的。
萨拉赫丁和达塔在2008年提出一种铁电材料可以作为负电容结合(积极)场效应晶体管的栅极电容,电容结合起来,是积极的和稳定的。最终的结果是在一个场效应晶体管放大电场。他们认为这可能使场效应晶体管在低电压开关。“不幸的是,由于一些非常微妙的场效应晶体管的工作方式的影响,负电容的想法还没有被证明是非常有用的在传统的场效应晶体管,”舰队研究员/教授说Dmitrie Culcer(新南威尔士大学)。由于负电容电压降低消失在一个设计良好的场效应晶体管,所以看起来没有太多使用负电容了。”(曹和Banerjee 2020]。
负电容提高拓扑晶体管
最近舰队的一个研究小组在中心节点莫纳什,此生,伍伦贡大学和新南威尔士大学TQFET发现事实并非如此。添加一个负电容(铁电材料)负电容TQFET (NC-TQFET)放大了电场,使开关在更低的电压和能量。“TQFET使用电场进行切换,所以可以直接受益于电场提供的负电容的放大,“舰队研究员贾里德·科尔(RMIT)教授说。
小组报告结果在2021年的国际会议本周在旧金山电子设备。他们计算bismuth-based NC-TQFET使用La-doped HfO2作为铁电(这种铁电材料已经成功地与硅集成)能够实现低十倍比最先进的硅场效应晶体管开关的能量。“有更多的改进的余地。”元首说,“更高级的铁电体较大的残余偏振可以使开关在更低的能量。”
然而,仍然存在许多挑战NC-TQFET工作台式。Bismuth-based拓扑绝缘体与正确的结构还没有实验和测试,并将这些材料与铁电层带来了进一步的挑战。亚博网站下载不过,NC-TQFET提供一个清晰的蓝图降低能源在未来的晶体管。
上的舰队人员申请了专利NC-TQFET概念,和舰队正在寻找机会与合作伙伴共同努力,进一步发展这项技术。拓扑晶体管是去年加入IEEE国际设备和系统路线图,指导指数的国际商定的蓝图半导体技术的进步(映射由著名的“摩尔定律”),包括计划更多的摩尔,摩尔多的和超出CMOS技术。
负电容的方案拓扑量子场效应晶体管的提出了在电气和电子工程师协会的国际电子设备会议2021年12月16日。
来源:https://www.fleet.org.au/