0 шт

Цена от:

от 11,13₽

Конденсатор К53-18 | АО «Новосибирский завод радиодеталей «Оксид»

Отрицательная емкость может сделать транзисторы более энергоэффективными – Physics World

Используя любопытный эффект, называемый отрицательной емкостью, исследователи разработали транзистор, для которого требуется напряжение затвора примерно на 30% ниже, чем в обычных конструкциях. Под руководством Сайефа Салахуддина из Калифорнийского университета в Беркли команда разработала ультратонкую сверхрешетчатую гетероструктуру, содержащую чередующиеся слои сегнетоэлектрических и антисегнетоэлектрических материалов. Команда говорит, что ее сверхрешетка может быть легко интегрирована в существующие конструкции транзисторов, что снизит их энергопотребление.

По мере того, как современные компьютеры становятся все более мощными, потребляемая ими энергия также растет, и кажется, что конца этому не видно. Чтобы замедлить эту тенденцию, потребуются фундаментальные изменения в традиционных конструкциях транзисторов.

Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы) повсеместно используются в компьютерах и другой электронике. Они содержат кремниевый полупроводниковый канал, по которому ток может течь между двумя электродами. Ток протекает мимо третьего электрода, называемого затвором, который отделен от полупроводникового канала изолирующим оксидным слоем. Электрод затвора действует как одна пластина конденсатора, и, изменяя напряжение, подаваемое на затвор, можно регулировать электронные свойства кремния. В результате ток, протекающий по каналу, можно включать и выключать.

Противоположный эффект

В своем исследовании команда Салахуддина стремилась улучшить эту конструкцию, используя отрицательную емкость. Это эффект, который Салахуддин впервые предсказал в 2008 году и продемонстрировал экспериментально в 2011 году. Он возникает, когда уменьшение напряжения на конденсаторе приводит к увеличению заряда, хранящегося в устройстве, — противоположное тому, что происходит в обычных конденсаторах.

Отрицательная емкость возникает в сегнетоэлектриках, спонтанная электрическая поляризация которых может быть переориентирована приложением внешнего электрического поля. Чтобы создать отрицательную емкость, изолирующий диэлектрический материал соединяется с сегнетоэлектрическим материалом, что значительно увеличивает количество заряда, который накапливается в сегнетоэлектрическом материале при заданном напряжении.

Салахуддин и его коллеги продемонстрировали эффект в новом сверхтонком сверхрешетчатом материале. Он состоит из чередующихся слоев толщиной в атом сильно диэлектрического сегнетоэлектрического материала, диоксида гафния и антисегнетоэлектрического соединения диоксида циркония, который демонстрирует нулевую спонтанную поляризацию.

Соответствие характеристик

Чтобы проверить возможности своего материала, исследователи нанесли пленку сверхрешетки толщиной всего 2 нм на тонкий слой стекла, отделив его от слоя кремния. В полученном MOSFET команда обнаружила, что напряжение затвора можно уменьшить примерно на 30%, что снижает энергопотребление устройства. Полученное устройство смогло соответствовать характеристикам существующих конструкций транзисторов.

Подробнее

Отрицательная емкость появляется в ферроэлектрических материалах

Поскольку диоксид гафния уже широко используется в сочетании с диоксидом кремния для формирования изолирующих слоев в полевых МОП-транзисторах, эта конструкция хорошо совместима с существующими производственными процессами. В результате Салахуддин и его коллеги надеются, что их материал может существенно снизить количество энергии, потребляемой современными компьютерами, без ущерба для их скорости, производительности или небольшого размера.

Исследование описано в Nature .

Исследователи изобрели отрицательный конденсатор

Проявив немного изобретательности в физике, инженеры разработали способ перераспределения электроэнергии в небольших масштабах — отрицательный конденсатор, потенциально открывающий новые возможности для исследований в области более энергоэффективных вычислений.

В ходе нового исследования исследователи из Аргоннской национальной лаборатории совместно с коллегами из Франции и России создали постоянный статический отрицательный конденсатор, устройство, которое еще десять лет назад считалось нарушением физических законов.

В то время как ранее предложенные конструкции отрицательных конденсаторов работали на временной переходной основе, недавно разработанная конструкция работает как стационарное обратимое устройство.

Исследователи обнаружили, что, соединив последовательно отрицательный конденсатор с положительным конденсатором, они могут локально увеличить напряжение на положительном конденсаторе до точки, превышающей общее напряжение системы. Таким образом, они могли распределять электричество по областям цепи, требующим более высокого напряжения, при этом вся цепь работала при более низком напряжении.

«Цель состоит в том, чтобы получать электроэнергию там, где она нужна, используя как можно меньше в контролируемом статическом режиме», — говорит исследователь из Аргонны Валерий Винокур.

В традиционных конденсаторах электрическое напряжение конденсатора пропорционально накопленному электрическому заряду, и увеличение накопленного заряда увеличивает напряжение. В отрицательных конденсаторах происходит обратное. Увеличение заряда снижает напряжение. Поскольку отрицательный конденсатор является частью большей цепи, это не нарушает закон сохранения энергии.

«Вы можете думать об этом как о холодильнике, — говорит один исследователь из Пикардийского университета (Франция) Игорь Лукьянчук, — Внутри холодильника, конечно, намного холоднее, чем снаружи, но это это потому, что мы нагреваем остальную часть окружающей среды, расходуя энергию на охлаждение холодильника».

Основным компонентом отрицательного конденсатора, предложенного Винокуром и его коллегами, является наполнение из сегнетоэлектрического материала, похожего на магнит, за исключением того, что он имеет внутреннюю электрическую поляризацию, а не магнитную ориентацию.

«В сегнетоэлектрической наночастице на одной поверхности у вас будет положительный заряд, а на другой — отрицательный», — сказал Винокур. «Это создает электрические поля, которые пытаются деполяризовать материал».

Разделив наночастицу на два равных сегнетоэлектрических домена противоположной поляризации, разделенных границей, называемой доменной стенкой, Винокур и его коллеги минимизировали влияние общего деполяризующего электрического поля.