研究作者左为马克·埃德蒙兹博士，右为迈克尔·元首教授。学分:莫纳什大学物理和天文学院澳大利亚研究人员发现，负电容可能会降低电子和计算中使用的能量，而电子和计算占全球电力需求的8%。ARC未来低能量电子技术卓越中心的四所大学的研究人员应用负电容使拓扑晶体管在较低电压下切换，有可能将能量损失降低10倍或更多。
这些非常有希望的结果在本周旧金山著名的国际电子设备会议上被报道。虽然制造工作台式设备面临的挑战很大，但这项工作已经包含在专利申请中。
什么是晶体管？
晶体管是一种电子开关。它有三个端子或连接:施加到栅极端子的电压控制可以在其他两个端子(称为源极和漏极端子)之间流动的电流。在计算机芯片中，晶体管可以是“开”(即电流可以流动)或“关”(电流被阻断)，代表构成二进制逻辑运算的1和0。
开关晶体管每次都需要浪费很少的电能。但是，由于使我们所有的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，所有这些晶体管每秒切换数十亿次(千兆赫频率)，这就意味着大量的能量被浪费为热量。“这就是为什么当你做一些需要大量计算的事情时，你的手机或笔记本电脑会变热，比如处理一段视频，”FLEET研究员迈克尔·元首教授(莫纳什)说。
总的来说，信息通信和技术(ICT)消耗了全球约8%的电力供应——这是一个惊人的电量，每十年翻一番。根据2020年发布的半导体十年计划，信通技术日益增长的能源需求和可用能源之间的不平衡将“强烈限制”计算的未来增长。
今天的计算机芯片都是由半导体硅制成的。半导体是绝缘体，通常不导电的材料。然而，给半导体增加一点额外的电荷会使它导电。硅的这种开关能力是场效应晶体管的基础:栅极通过一个电容器连接到一片在源极和漏极之间运行的半导体上。栅极上的电压给电容充电，半导体上的额外电荷允许电流从源极流向漏极。
拓扑绝缘体
FLEET的研究人员正在研究一种新的量子材料，称为拓扑绝缘体，而不是硅。这些材料在内部是绝缘的，但在边界导电:如果它们是三维的，那么它们在二维表面导电，如果它们很薄(二维)，它们沿着一维边缘导电。
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(完全不导电)。这使得拓扑材料可以用作晶体管，称为拓扑量子场效应晶体管。
虽然现代电子设备中的数百万个晶体管只有微米大小，但它们的功能与20世纪70年代收音机和家用电子设备中常见的三条腿晶体管相似。功劳:FLEET E arlier今年，FLEET的研究人员发现，TQFET可以在比传统FET更低的电压下开关，克服了所谓的玻尔兹曼暴政，玻尔兹曼暴政为室温下开关电流所需的电压设定了下限。Wollongong大学的FLEET研究人员Muhammad Nadeem说:“低电压转换是由于一种叫做自旋轨道耦合的效应，这种效应在铋等较重的元素中更强。我们发现，基于铋的TQFETs可以以类似尺寸的传统FETs的一半电压和四分之一能量进行开关。”
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？
电容器由两个被绝缘体隔开的导体组成。它有一个电容C，表示金属间加电压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，电容器将固有地不稳定，并且想要在不施加任何外部电压的情况下充电。
但这正是铁电材料的作用。它有一个自发的极化，使其表面带电。因此，铁电材料可以被认为在某一状态下具有负电容，尽管这种状态通常是不可接近的，因为它不稳定。
萨拉赫丁和达塔在2008年提出，铁电材料可以与场效应晶体管的(正)栅极电容一起充当负电容器，以制造正且稳定的组合电容器。最终结果是放大了场效应晶体管中的电场。他们认为这可能允许场效应晶体管在较低的电压下开关。
“不幸的是，由于场效应晶体管工作方式的一些非常微妙的影响，负电容的想法在传统的场效应晶体管中并没有被证明非常有用，”舰队研究员A/德米特里·卡尔瑟教授(UNSW)说。“负电容导致的电压下降在设计良好的场效应晶体管中消失了，因此使用负电容似乎没有什么好处。”
负电容提升拓扑晶体管
最近，莫纳什、RMIT、伍伦贡大学和UNSW中心节点的一组FLEET研究人员意识到，TQFET并非如此。增加一个负电容(一种铁电材料)来制造一个负电容TQFET (NC-TQFET)会放大电场，从而能够在低得多的电压和能量下进行开关。“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研究员贾里德·科尔教授(RMIT)说。
该团队本周在旧金山举行的2021年国际电子设备会议上报告了这一结果。他们计算出，使用掺镧二氧化铪作为铁电体(这种铁电材料已经成功地与硅集成在一起)的铋基纳米TQF场效应晶体管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，”元首说，“更先进的剩余极化更大的铁电体可以在更低的能量下实现开关。”
然而，要在台式电脑上制造一个正常工作的数控晶体管，还有许多挑战。具有正确结构的铋基拓扑绝缘体尚未经过马德和实验测试，将这些材料与铁电层集成将带来进一步的挑战。尽管如此，数控晶体管为降低未来晶体管的能量提供了一个清晰的蓝图。
FLEET的研究人员已经申请了NC-TQFET概念的专利，FLEET正在寻找机会与合作伙伴一起进一步开发该技术。拓扑晶体管去年被添加到IE EE器件和系统国际路线图中，这是国际公认的指导半导体技术指数级进步的蓝图(由著名的摩尔定律绘制)，包括“更多摩尔”、“超过摩尔”和超越CMOS技术的计划。
“负电容拓扑量子场效应晶体管提案”在2021年12月16日电气和电子工程师协会的国际电子设备会议上提出。
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