Отрицательная ёмкость: как учёные преодолели предел Шоттки и ускорили транзисторы

В мире микроэлектроники произошёл прорыв, который может изменить будущее полупроводниковых технологий. Учёные из США смогли использовать парадоксальное явление отрицательной ёмкости для повышения производительности транзисторов. Это открытие позволило обойти фундаментальные ограничения, накладываемые законами физики, и приблизить создание более эффективных и мощных чипов. В этой статье вы узнаете, как работает этот эффект, какие преимущества он даёт и почему это важно для развития электроники.

Что такое отрицательная ёмкость и как она работает

Отрицательная ёмкость — это уникальное явление, которое проявляется в сегнетоэлектриках. Под воздействием внешнего электрического поля их кристаллическая структура меняет поляризацию, сохраняя внутреннее электромагнитное поле даже после снятия внешнего воздействия.

Основные особенности:

• Проявляется только в сегнетоэлектриках.
• Позволяет накапливать энергию внутри материала.
• Используется в энергонезависимой памяти FeRAM.

Как отрицательная ёмкость улучшает транзисторы

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета разработали транзисторные структуры с использованием сегнетоэлектриков. Эти материалы позволяют снизить управляющее напряжение и повысить производительность транзисторов.

Ключевые преимущества:

• Снижение напряжения управления: Отрицательная ёмкость компенсирует паразитную ёмкость диэлектрика.
• Накопление энергии: Транзистор становится похож на встроенный суперконденсатор.
• Повышение скорости переключения: Увеличивается ток в открытом состоянии без увеличения утечек.

Преодоление предела Шоттки

«Отрицательная ёмкость позволяет преодолеть фундаментальные ограничения, накладываемые законами физики.»

Предел Шоттки — это барьер, который определяет компромисс между толщиной изолятора, током утечки и скоростью переключения транзистора. Отрицательная ёмкость устраняет этот компромисс, позволяя увеличить толщину диэлектрика без снижения производительности.

Пример использования:

• Материал HZO: Сегнетоэлектрик из оксида гафния и оксида циркония толщиной 1,8 нм.
• Эффект: Внутреннее поле HZO противодействует внешнему напряжению, усиливая управление затвором.

Перспективы и вызовы

Хотя эксперименты показали впечатляющие результаты, учёным ещё предстоит решить несколько задач. Например, необходимо уменьшить размеры транзисторов и адаптировать технологию для массового производства.

Будущие шаги:

• Миниатюризация: Уменьшение размеров транзисторов с отрицательной ёмкостью.
• Партнёрства: Поиск компаний для внедрения технологии в производство.
• Исследования: Дальнейшее изучение свойств сегнетоэлектриков.

«Получение большего тока от устройства за счёт добавления изолятора — чрезвычайно ценно.»

Вернуться к началу статьи

«`