拓扑晶体管的负电容可以减少计算不可持续的能量负载

澳大利亚研究人员发现，负电容可以降低电子和计算领域的能源消耗，这占全球电力需求的8%。

ARC未来低能电子技术卓越中心(FLEET)内四所大学的研究人员利用负电容使拓扑晶体管在较低电压下开关，有可能将能量损失减少10倍或更多。

这些非常有希望的结果是本周在旧金山举行的著名的国际电子设备会议上报告的。虽然制造一种可工作的台式设备仍然存在挑战，但这项工作已经包含在专利申请中。

什么是晶体管?

晶体管是电子开关。它有三个端子或连接:施加在栅极端的电压控制其他两个端子(称为源极和漏极)之间流动的电流。在计算机芯片中，晶体管可以“开”(即电流可以流动)或“关”(电流被阻塞)，代表二进制逻辑运算所需的“1”和“0”。

每次开关晶体管都需要消耗少量电能。但是，使我们所有电子设备工作的计算机芯片包含数百万甚至数十亿个晶体管，所有晶体管每秒切换数十亿次(以千兆赫频率)，这加起来导致大量的能量被浪费为热量。“这就是为什么当你在做一些需要大量计算的事情时，比如处理视频时，你的手机或笔记本电脑会变热，”FLEET研究员Michael Fuhrer教授(莫纳什大学)说。

总的来说，信息通信和技术(ICT)消耗了全球电力供应的8%，这是一个惊人的数字，每十年就会翻一番。根据2020年发布的《半导体十年计划》，ICT不断增长的能源需求与可用能源之间的不平衡将“强烈限制”未来计算的增长。

今天的计算机芯片都是由硅制成的，硅是一种半导体。半导体是绝缘体，这种材料通常不导电。然而，在半导体中加入一点额外的电荷使其具有导电性。硅的这种“开关”能力是场效应晶体管(FET)的基础:栅极由电容器连接到源极和漏极之间的半导体片。栅极上的电压为电容器充电，半导体上的额外电荷使电流从源流向漏极。

拓扑绝缘体

除了硅，FLEET的研究人员正在研究一种新型的量子材料拓扑绝缘体．这些材料在内部是绝缘的，但在边界上导电:如果它们是三维的，那么它们就会在二维表面上导电，如果它们非常薄(二维)，它们就会沿着一维边缘导电。

拓扑晶体管

FLEET的研究人员发现，电场可以用来将一种材料从拓扑绝缘体(沿其边缘导电)切换到普通绝缘体(根本不导电)。这使得拓扑材料被用作晶体管，称为拓扑量子场效应晶体管(TQFET)。

今年早些时候，FLEET研究人员发现TQFET可以在比传统FET更低的电压下进行开关，克服了所谓的“玻尔兹曼暴政”，即在室温下切换电流所需的电压下限。FLEET的研究人员Muhammad Nadeem(卧龙岗大学)解释说:“低压开关是由于一种叫做在手性耦合它在铋等较重的元素中更强。我们发现，与类似大小的传统fet相比，铋基tqfet可以在一半的电压和四分之一的能量下开关。”

最近，研究小组发现，通过使用负电容将拓扑材料连接到栅极端子，他们可以进一步降低电压和能量。

电容怎么可能是负的?

电容器由绝缘体隔开的两个导体组成。它有一个电容C，它表示在金属之间施加电压V时，金属上的电荷量Q: C = Q/V。通常这是一个正数。如果它是负的，电容器将是固有的不稳定，并希望充电而不施加任何外部电压。

但这正是a铁电材料做的;它具有自发极化，使其表面带电。因此，铁电材料可以被认为在某种状态下具有负电容，尽管这个状态通常是不可接近的，因为它不稳定。

萨拉赫丁和达塔他在2008年提出，铁电材料可以作为负电容与场效应晶体管的(正)门电容结合，从而形成一个正且稳定的组合电容器。最终结果是放大场效应晶体管中的电场。他们认为这可以让FET在更低的电压下切换。“不幸的是，由于fet工作方式中的一些非常微妙的影响，负电容的想法在传统fet中并没有被证明非常有用，”FLEET研究员A/ Dmitrie Culcer教授(新南威尔士大学)说。“在设计良好的FET中，由于负电容而导致的电压降低消失了，所以使用负电容似乎没有太多好处。“(Cao和Banerjee 2020］．

负电容有利于拓扑晶体管的发展

最近，莫纳什中心节点、皇家墨尔本理工大学、卧龙岗大学和新南威尔士大学的FLEET研究团队意识到，TQFET并非如此。添加一个负电容(铁电材料)来制造一个负电容TQFET (NC-TQFET)放大电场，从而实现在更低的电压和能量下的开关。“TQFET使用电场进行开关，因此可以直接受益于负电容提供的电场放大，”FLEET研究员Jared Cole教授(RMIT)说。

该团队在2021年报告了这一结果国际电子器件会议本周将在旧金山举行。他们计算了一种铋基NC-TQFET使用la掺杂HfO₂作为一种铁电材料(这种铁电材料已经成功地与硅集成)可以实现比最先进的硅场效应晶体管低十倍的开关能量。“还有更大的改进空间，”Fuhrer说，“更先进的铁电体具有更大的剩余极化，可以实现更低能量的开关。”

然而，在台式电脑上制作一个工作的NC-TQFET仍然面临许多挑战。具有正确结构的铋基拓扑绝缘体还没有被制造出来并进行实验测试，将这些材料与铁电层集成将带来进一步的挑战。不过，NC-TQFET为未来降低晶体管能量提供了清晰的蓝图。

FLEET的研究人员已经申请了NC-TQFET概念的专利，FLEET正在寻找与合作伙伴合作进一步开发该技术的机会。拓扑晶体管去年被添加到IEEE国际器件与系统路线图中，这是国际公认的指导半导体技术指数级发展的蓝图(由著名的“摩尔定律”绘制)，包括“更多摩尔”、“超过摩尔”以及超越CMOS技术的计划。

“负电容拓扑量子场效应晶体管的提案”在电气和电子工程师协会的国际电子器件会议上提出。

更多信息:

• 联系Michael Fuhrer教授(莫纳什大学)michael.fuhrer@monash.edu
• 看计算能量使用的未来解决方案
• 读的半导体十年计划
• 读关于IEEE设备与系统国际路线图(IRDS)

引用:

M.S. Fuhrer, M.T. Edmonds, D. Culcer, M. Nadeem, X. Wang, N. Medhekar, Y. Yin和J.H Cole，“负电容拓扑量子场效应晶体管的提议”，2021年国际电子器件会议记录， pp. 38.2.1-38.2.4(2021)。