I ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente come sfruttare una proprietà chiamata capacità negativa per un nuovo tipo di transistor che potrebbe ridurre il consumo di energia, convalidare una teoria proposta nel 2008 da un team della Purdue University.

I ricercatori hanno utilizzato un materiale estremamente sottile, o 2-D, strato del semiconduttore disolfuro di molibdeno per creare un canale adiacente a una parte critica dei transistor chiamata gate. Quindi hanno usato un "materiale ferroelettrico" chiamato ossido di zirconio afnio per creare un componente chiave nel gate di nuova concezione chiamato condensatore negativo.

Capacità, o lo stoccaggio di carica elettrica, normalmente ha un valore positivo. Però, l'utilizzo del materiale ferroelettrico nel gate di un transistor consente la capacità negativa, che potrebbe comportare un consumo energetico molto inferiore per far funzionare un transistor. Una tale innovazione potrebbe portare a dispositivi più efficienti che funzionano più a lungo con una carica della batteria.

L'ossido di afnio è ora ampiamente utilizzato come dielettrico, o materiale isolante, nelle porte dei transistor di oggi. Il nuovo design sostituisce l'ossido di afnio con ossido di afnio zirconio, nel lavoro guidato da Peide Ye, Richard J. e Mary Jo Schwartz di Purdue Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica.

"L'obiettivo principale è realizzare transistor più efficienti che consumano meno energia, soprattutto per applicazioni con limitazioni di alimentazione come telefoni cellulari, sensori distribuiti, e componenti emergenti per l'internet delle cose, "Hai detto.

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca pubblicato il 18 dicembre sulla rivista Nanotecnologia della natura .

La teoria originale per il concetto è stata proposta nel 2008 da Supriyo Datta, il Thomas Duncan Distinguished Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica, e Sayeef Salahuddin, che all'epoca era uno studente di dottorato alla Purdue ed è ora professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California, Berkeley.

L'autore principale del documento era lo studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica della Purdue Mengwei Si. Tra i coautori del documento ci sono Ye; Alì Shakouri, Mary Jo e Robert L. Kirk Direttore del Birck Nanotechnology Center di Purdue e professore di ingegneria elettrica e informatica; e Muhammad A. Alam, il Jai N. Gupta Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica, che ha dato contributi critici e di ampio respiro alla teoria che descrive la fisica dietro i dispositivi a capacità negativa.

I transistor sono piccoli interruttori che si accendono e si spengono rapidamente, consentire ai computer di elaborare le informazioni in codice binario. Lo spegnimento corretto è di particolare importanza per garantire che non ci siano "fughe" di elettricità. Questa commutazione richiede normalmente un minimo di 60 millivolt per ogni aumento di dieci volte della corrente, un requisito chiamato limite termoionico. Però, i transistor che sfruttano la capacità negativa potrebbero rompere questo limite fondamentale, commutazione a tensioni molto più basse e con conseguente minor consumo di energia.

Nuove scoperte dimostrano che il materiale ferroelettrico e la capacità negativa nel gate si traducono in una buona commutazione sia negli stati di attivazione che di disattivazione. Il nuovo design soddisfa un altro requisito:affinché i transistor si accendano e si spengano correttamente non devono generare una proprietà elettronica dannosa chiamata isteresi.

La capacità negativa è stata creata con un processo chiamato deposizione dello strato atomico, che è comunemente usato nell'industria, rendendo l'approccio potenzialmente pratico per la produzione.

La ricerca è in corso, e il lavoro futuro esplorerà se i dispositivi si accendono e si spengono abbastanza velocemente da essere pratici per applicazioni commerciali ad altissima velocità.

"Però, anche senza commutazione ultraveloce, il dispositivo potrebbe ancora avere un impatto trasformativo in un'ampia gamma di dispositivi che possono funzionare a frequenze più basse e devono funzionare con bassi livelli di potenza, "Hai detto.