Сегодня 20 августа 2026
18+
MWC 2018 2018 Computex IFA 2018
реклама
Новости Hardware

Учёные ускорили транзисторы, обойдя законы физики — отрицательная ёмкость пробила предел Шоттки

Учёные из США смогли поставить на службу микроэлектронике парадоксальное физическое явление, названное отрицательной ёмкостью. Команда более 20 лет исследовала это явление, всё это время подвергаясь привычной критике. Однако целый ряд публикаций в научных журналах говорит сам за себя: этот странный эффект существует, и его можно использовать для повышения производительности транзисторов и чипов.

 Источник изображения: pixabay

Источник изображения: pixabay

Явление отрицательной ёмкости условно и проявляется только в сегнетоэлектриках. Под воздействием внешнего электрического поля кристаллическая структура сегнетоэлектриков меняет поляризацию, а также сохраняет внутри кристаллической решётки внутреннее электромагнитное поле даже после снятия внешнего воздействия. Это явление, в частности, используется для создания энергонезависимой памяти FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory).

Группа учёных исследует транзисторные структуры с прослойкой из сегнетоэлектрика. Такой материал в качестве диэлектрика под затвором способен снижать управляющее напряжение за счёт привнесения отрицательной составляющей ёмкости в структуру диэлектрика (она частично компенсирует паразитную ёмкость материала), а также ведёт к накоплению энергии внутри транзистора, создавая что-то вроде встроенного суперконденсатора — автономного элемента питания в чипе.

В новой работе команда предложила использовать сегнетоэлектрик для повышения производительности высокочастотных мощных транзисторов из нитрида галлия. Речь идёт о транзисторах High-Electron-Mobility Transistor (HEMT) — полевых транзисторах с высокой подвижностью электронов. Они основаны на гетероструктурах, таких как GaAs/AlGaAs или GaN/AlGaN, где на границе двух материалов с разной шириной запрещённой зоны создаётся двумерный электронный газ (2DEG) с высокой подвижностью электронов. Это обеспечивает низкое сопротивление и высокую скорость переключения.

Производительность транзисторов HEMT, как и других полупроводниковых структур, ограничена законами физики и, в частности, так называемым пределом Шоттки. Он определяется компромиссом между толщиной изолятора, препятствующего утечкам тока в закрытом состоянии, и величиной тока в открытом состоянии, а также скоростью переключения между этими режимами. Отрицательная ёмкость, утверждают исследователи, позволяет преодолеть этот компромисс и обеспечить прирост производительности GaN-транзисторов. Было показано, что увеличение толщины диэлектрика из сегнетоэлектрика не снижает скорость переключения.

Сегнетоэлектрик в виде соединения оксида гафния и оксида циркония (HfO₂-ZrO₂ — сокращённо HZO) толщиной 1,8 нм был нанесён на рабочий слой транзистора под затвором. Кристаллическая структура HZO позволяет сохранять внутреннее электрическое поле даже при отсутствии внешнего напряжения. Когда на транзистор подавалось напряжение, внутреннее поле HZO ему противодействовало. В транзисторе это приводило к парадоксальному эффекту: снижение напряжения вызывало увеличение накопленного в HZO заряда. Такая отрицательная ёмкостная реакция эффективно усиливала управление затвором, способствуя накоплению заряда в двумерном электронном облаке транзистора и увеличивая ток в включённом состоянии. В то же время толщина диэлектрика HZO подавляла ток утечки при выключении устройства, что позволяло экономить энергию.

«Когда вы добавляете другой материал, толщина [затвора] должна увеличиться, а управление затвором – ухудшиться, — поясняют учёные. — Однако диэлектрик HZO, похоже, преодолевает предел Шоттки. Этого нельзя добиться обычными методами».

«Получение большего тока от устройства за счёт добавления изолятора – чрезвычайно ценно, — добавляют исследователи. — В других случаях без отрицательной ёмкости этого добиться невозможно».

Учёные провели эксперимент на макетном образце транзистора. Им ещё предстоит уменьшить его размеры и убедиться в работоспособности таких структур на меньшем масштабе. Пока они ищут заинтересованных партнёров, чтобы воспроизвести эксперимент в условиях массового производства транзисторов.

Источник:

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Материалы по теме

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Автор утечек GTA VI начал открыто издеваться над Rockstar — опубликован четвёртый геймплейный отрывок 17 мин.
Бывший директор по разработкам Meta признался в суде, что компания отодвигала безопасность детей на второе место ради роста бизнеса 41 мин.
«Просто сумасшествие»: 15-минутный геймплейный трейлер китайского боевика Black Myth: Zhong Kui впечатлил игроков 59 мин.
Новая система безопасности OpenAI поможет выявлять угрозы, скрывающиеся за цепочкой безобидных запросов 4 ч.
Meta представила настольное приложение для Apple Mac с функцией анализа  содержимого экрана 4 ч.
Ветеран разработки Dishonored и Deus Ex открыл новую студию для создания игр вроде Dishonored и Deus Ex 11 ч.
Новый трейлер возвестил о старте предзаказов гротескного хоррора Clive Barker’s Hellraiser: Revival — игра продаётся и в российском Steam 14 ч.
Nightdive подтвердила дату выхода Sin: Reloaded — ремастера культового шутера 1998 года 15 ч.
GitHub объяснил масштабный сбой ошибкой масштабирования и шквалом повторных запросов от VS Code 15 ч.
Windows 11 научится блокировать камеру и микрофон для каждого приложения 16 ч.
Xiaomi представила умные часы Redmi Watch 6 Active и Watch 6 Lite 12 мин.
Представлен фитнес-трекер Xiaomi Smart Band 11 Active по цене меньше 3000 рублей 12 мин.
Представлены полноразмерные наушники Redmi Headphones Neo за 5690 рублей 12 мин.
ABB предложила энергохранилище на суперконденсаторах для ирландских дата-центров 22 мин.
Открыта звезда, ближайшая к сверхмассивной чёрной дыре в центре Млечного пути 32 мин.
Финансовый директор OpenAI заявила сотрудникам, что стартап выйдет на IPO в 2027 году или раньше 2 ч.
Marvell будет разрабатывать чипы для Google и позволит ей купить собственных акций на сумму $12,2 млрд 3 ч.
Xiaomi представила компактную 4K-камеру для видеозвонков за $60 и компактную Bluetooth-колонку-подставку для смартфона за $30 5 ч.
Несмотря на недавнюю утечку, наушники Apple AirPods с камерами выйдут только в 2027 году 5 ч.
В Якутии развернут дальневосточный ИИ-кластер на базе собственного дата-центра 9 ч.