Negative Kapazität für effizientere FETs

20. Dezember 2017, 13:00 Uhr
a) Neuer Transistor-Typ mit negativer Kapazität
b) Elektronen-Transmissions-Mikroskopie
c) Energieverteilung in Röntgenaufnahme
Bild: Mengwei Si / Purdue University
a) Neuer Transistor-Typ mit negativer Kapazität
b) Elektronen-Transmissions-Mikroskopie
c) Energieverteilung in Röntgenaufnahme
Bild: Mengwei Si / Purdue University
Forscher der Purdue University konnten experimentell zeigen, wie ein Effekt namens „negative Kapazität“ einen neuen Transistor-Typ energiesparender macht. Damit wurde eine schon 2008 von einem Team der Purdue University aufgestellte Theorie in der Praxis bestätigt.

Die Forscher verwendeten eine extrem dünne 2-D-Schicht des Halbleitermaterials Molybdändisulfid, um einen Kanal dicht neben dem kritischen Teil von FETs – dem Gate – zu erzeugen. Mit Hafnium-Zirkoniumoxid als ferroelektrisches Material konnte dann ein neuartiges Gate realisiert werden, was als eine Art „negativer Kondensator“ fungiert.

Die Kapazität zur Speicherung elektrischer Ladung hat normalerweise einen positiven Wert. Die Verwendung von ferroelektrischen Materialien in einem Gate eines FETs ermöglicht jedoch eine negative Kapazität, was zu einem weit geringeren Energieverbrauch bei der Ansteuerung eines FETs führen kann. Aktuell wird Hafniumoxid als dielektrisches bzw. isolierendes Material für Gates moderner FETs verwendet. Das neue Design ersetzt also lediglich Hafniumoxid durch Hafnium-Zirkoniumoxid.

FETs werden in digitalen Schaltungen als schnelle Schalter verwendet. Sie bilden die Basis für die Verarbeitung von Daten in Computer-Systemen. Wichtig ist dabei, dass sie völlig ausgeschaltet werden, damit möglichst geringe Leckströme entstehen. Die Schaltcharakteristik beträgt üblicherweise 60 mV pro Faktor 10 des geschalteten Stroms – ein Wert, der als thermionische Grenze bezeichnet wird. FETs mit negativer Kapazität können allerdings diese fundamentale Barriere durchbrechen, wodurch sie bei weit niedrigeren Spannungen schalten, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt.
 
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