Исследование, опубликованное в Science, предполагает, что отрицательная ёмкость помогает обойти физический предел, который обычно приводит к компромиссу между тем, насколько хорошо транзистор работает во включённом состоянии, и тем, насколько хорошо он работает в выключенном состоянии. Исследователи, стоящие за этим проектом, утверждают, что отрицательная ёмкость, которая была тщательно изучена на примере кремния, может иметь более широкое применение, чем предполагалось ранее.
Электроника на базе GaN питает базовые станции 5G и компактные адаптеры питания для мобильных телефонов. Пытаясь вывести технологию на более высокие частоты и энергопотребление, инженеры сталкиваются с компромиссами. В устройствах GaN, используемых для усиления радиосигналов, называемых транзисторами с высокой подвижностью электронов (HEMTs), добавление изолирующего слоя, называемого диэлектриком, предотвращает потерю энергии, когда они выключены, но также подавляет ток, протекающий через них, когда они включены, снижая их производительность.
Для достижения максимальной энергоэффективности и скорости переключения в полевых транзисторах на основе нитрида галлия используется металлический компонент, называемый затвором Шоттки, который устанавливается непосредственно поверх структуры, состоящей из слоёв нитрида галлия и алюмонитрида галлия. Когда затвор Шоттки подаёт напряжение, внутри транзистора образуется двумерное электронное облако. Эти электроны быстро перемещаются и помогают транзистору быстро переключаться, но они также стремятся подняться к затвору и выйти наружу. Чтобы предотвратить их выход, устройство может быть закрыто диэлектриком. Но этот дополнительный слой увеличивает расстояние между затвором и электронным облаком. А это расстояние снижает способность затвора управлять транзистором, что ухудшает его характеристики. Эта обратная зависимость между степенью управления затвором и толщиной устройства называется пределом Шоттки.
По мнению учёных из Калифорнии, интеграция электронного материала, обладающего странным свойством, называемым отрицательной ёмкостью, может помочь мощным нитрид-галлиевым транзисторам преодолеть барьер производительности. Исследование, опубликованное в Science, предполагает, что отрицательная ёмкость помогает обойти физический предел, который обычно приводит к компромиссу между тем, насколько хорошо транзистор работает во включённом состоянии, и тем, насколько хорошо он работает в выключенном состоянии. Исследователи, стоящие за этим проектом, утверждают, что отрицательная ёмкость, которая была тщательно изучена на примере кремния, может иметь более широкое применение, чем предполагалось ранее.
Электроника на базе GaN power базовые станции 5G и компактные адаптеры питания для мобильных телефонов. Пытаясь вывести технологию на более высокие частоты и энергопотребление, инженеры сталкиваются с компромиссами. В устройствах GaN, используемых для усиления радиосигналов, называемых транзисторами с высокой подвижностью электронов (HEMTs), добавление изолирующего слоя, называемого диэлектриком, предотвращает потерю энергии, когда они выключены, но также подавляет ток, протекающий через них, когда они включены, снижая их производительность.
Для достижения максимальной энергоэффективности и скорости переключения в полевых транзисторах на основе нитрида галлия используется металлический компонент, называемый затвором Шоттки, который устанавливается непосредственно поверх структуры, состоящей из слоёв нитрида галлия и алюмонитрида галлия. Когда затвор Шоттки подаёт напряжение, внутри транзистора образуется двумерное электронное облако. Эти электроны быстро перемещаются и помогают транзистору быстро переключаться, но они также стремятся подняться к затвору и выйти наружу. Чтобы предотвратить их выход, устройство может быть закрыто диэлектриком. Но этот дополнительный слой увеличивает расстояние между затвором и электронным облаком. А это расстояние снижает способность затвора управлять транзистором, что ухудшает его характеристики. Эта обратная зависимость между степенью управления затвором и толщиной устройства называется пределом Шоттки.
Инженеры-электрики из Калифорнийского университета в Беркли, в сотрудничестве с исследователями из Стэнфордского университета протестировали специальное покрытие на устройствах из нитрида галлия с затворами Шоттки. Это покрытие состоит из слоя оксида гафния, покрытого тонким слоем оксида циркония. Двухслойный материал толщиной 1,8 нм называется HZO, и он разработан таким образом, чтобы демонстрировать отрицательную ёмкость.
HZO — это сегнетоэлектрик. То есть его кристаллическая структура позволяет ему сохранять внутреннее электрическое поле даже при отсутствии внешнего напряжения. (Обычные диэлектрики не обладают таким внутренним электрическим полем.) Когда на транзистор подаётся напряжение, внутреннее электрическое поле HZO противодействует ему. В транзисторе это приводит к парадоксальному эффекту: уменьшение напряжения вызывает увеличение заряда, накопленного в HZO. Эта отрицательная ёмкостная реакция эффективно усиливает управление затвором, помогая двумерному электронному облаку транзистора накапливать заряд и увеличивая ток во включённом состоянии. В то же время толщина диэлектрика HZO подавляет ток утечки, когда устройство выключено, что позволяет экономить энергию.