eng
Просмотры: 772
20.12.2021
Австралийские исследователи обнаружили, что отрицательная емкость может снизить энергопотребление в электронике и вычислительной технике, на которую приходится 8% мирового спроса на электроэнергию.
Для включения и выключения транзистора каждый раз затрачивается небольшое количество электрической энергии. Поскольку компьютерные чипы, на которых работают все электронные устройства, содержат миллионы и миллиарды транзисторов, переключающихся миллиарды раз в секунду (на гигагерцовых частотах), большое количество питающей их энергии расходуется в виде тепла. В целом, информационно-коммуникационные технологии потребляют около 8% мирового электроснабжения, и это количество удваивается каждое десятилетие. В будущем дисбаланс между растущими потребностями вычислительной техники в энергии и доступной сейчас энергией "сильно ограничит" будущий рост вычислительной техники.
Топологические изоляторы
Вместо кремния исследователи FLEET работают с новыми видами квантовых материалов, называемых топологическими изоляторами. Внутренняя часть этих материалов изолирована, а внешние части обладают проводимостью. Если они трехмерны, то проводят ток на своих двумерных поверхностях, а если изделия из них очень тонкие (двумерные), то проводимостью обладают их одномерные края.
Топологические транзисторы
Исследователи FLEET обнаружили, что с помощью электрического поля можно переключить материал из топологического изолятора (который проводит электричество вдоль своих краев) в обычный изолятор (который вообще не проводит). Это позволяет использовать топологический материал в качестве транзистора, называемого топологическим квантовым полевым транзистором (TQFET).
Ранее в FLEET обнаружили, что TQFET может переключаться при более низком напряжении, чем обычный FET, преодолевая так называемый "предел Больцмана", который устанавливает нижний предел напряжения, необходимого для переключения тока при комнатной температуре. Переключение при низком напряжении происходит благодаря спин-орбитальной связи, которая сильнее в более тяжелых элементах (например, висмут).
Обнаружено, что TQFET на основе висмута могут переключаться при вдвое меньшем напряжении и используют для этого на четверть меньшей энергии, чем обычные FET аналогичного размера. Недавно было обнаружено, что можно еще больше снизить используемые напряжение и энергию, при использовании отрицательной емкости для подключения топологического материала к выводу затвора.
Как емкость может быть отрицательной?
Если бы емкость была отрицательной, конденсатор был бы по своей природе нестабильным и стремился бы зарядиться без приложения внешнего напряжения. Но именно это делает ферроэлектрический материал; обладающий спонтанной поляризацией, заряжающей его поверхность. Таким образом, ферроэлектрический материал можно рассматривать как имеющий отрицательную емкость в определенном режиме, как правило, недоступном из-за своей нестабильности. Однако, отрицательная емкость может повысить эффективность топологических транзисторов. Недавно группа исследователей FLEET показала, что для TQFET это не так. Добавление отрицательной емкости (ферроэлектрического материала) для создания TQFET с отрицательной емкостью (NC-TQFET) усиливает электрическое поле, что позволяет осуществлять переключение при гораздо меньших напряжениях и энергиях.
TQFET использует электрическое поле для переключения, поэтому может напрямую воспользоваться усилением электрического поля, которое обеспечивается отрицательной емкостью. По расчетам ученых, NC-TQFET на основе висмута, использующий в качестве ферроэлектрика HfO2, легированный лантаном (этот ферроэлектрический материал был успешно интегрирован в кремний), может достичь в десять раз меньшей энергии переключения, чем современный кремниевый FET. Более совершенные ферроэлектрики с большей остаточной поляризацией могут обеспечить переключение при еще более низких энергиях".
Однако на пути к созданию рабочего NC-TQFET на уровне промышленных устройств остается много проблем. Топологические изоляторы на основе висмута с нужной структурой еще не созданы, а интеграция этих материалов с ферроэлектрическими слоями пока проблематична. Тем не менее, такие структуры значительно снизят энергопотребление в будущих транзисторах, а исследователи из FLEET уже подали заявку на получение патента на концепцию NC-TQFET, а FLEET ищет возможности сотрудничества с партнерами для дальнейшего развития этой перспективной технологии.
Комментарии читателей
