Los investigadores han demostrado experimentalmente cómo aprovechar una propiedad llamada capacitancia negativa para un nuevo tipo de transistor que podría reducir el consumo de energía. validando una teoría propuesta en 2008 por un equipo de la Universidad de Purdue.

Los investigadores utilizaron un o 2-D, capa del semiconductor disulfuro de molibdeno para crear un canal adyacente a una parte crítica de los transistores llamada puerta. Luego utilizaron un "material ferroeléctrico" llamado óxido de circonio hafnio para crear un componente clave en la puerta de nuevo diseño llamado condensador negativo.

Capacidad, o el almacenamiento de carga eléctrica, normalmente tiene un valor positivo. Sin embargo, el uso del material ferroeléctrico en la puerta de un transistor permite una capacitancia negativa, lo que podría resultar en un consumo de energía mucho menor para operar un transistor. Tal innovación podría traer dispositivos más eficientes que funcionen por más tiempo con una carga de batería.

El óxido de hafnio ahora se usa ampliamente como dieléctrico, o material aislante, en las puertas de los transistores de hoy. El nuevo diseño reemplaza el óxido de hafnio por óxido de circonio y hafnio, en el trabajo dirigido por Peide Ye, Richard J. y Mary Jo Schwartz, profesora de Purdue de Ingeniería Eléctrica e Informática.

"El objetivo general es hacer transistores más eficientes que consuman menos energía, especialmente para aplicaciones con limitaciones de energía como teléfonos móviles, sensores distribuidos, y componentes emergentes para Internet de las cosas, "Vosotros dijiste.

Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación publicado el 18 de diciembre en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

La teoría original del concepto fue propuesta en 2008 por Supriyo Datta, el Profesor Distinguido Thomas Duncan de Ingeniería Eléctrica e Informática, y Sayeef Salahuddin, quien era un estudiante de doctorado de Purdue en ese momento y ahora es profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California, Berkeley.

El autor principal del artículo fue Mengwei Si, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática de Purdue. Entre los coautores del artículo se encuentran Ye; Ali Shakouri, Mary Jo y Robert L. Kirk, directora del Centro de Nanotecnología Birck de Purdue y profesora de ingeniería eléctrica e informática; y Muhammad A. Alam, el Profesor Jai N. Gupta de Ingeniería Eléctrica e Informática, quien hizo contribuciones críticas y de amplio alcance a la teoría que describe la física detrás de los dispositivos de capacitancia negativa.

Los transistores son pequeños interruptores que se encienden y apagan rápidamente, permitiendo que las computadoras procesen información en código binario. Una desconexión adecuada es de especial importancia para garantizar que no se produzcan "fugas" de electricidad. Esta conmutación normalmente requiere un mínimo de 60 milivoltios por cada aumento de diez veces en la corriente, un requisito llamado límite termoiónico. Sin embargo, Los transistores que aprovechan la capacitancia negativa pueden romper este límite fundamental, conmutando a voltajes mucho más bajos y resultando en un menor consumo de energía.

Los nuevos hallazgos demuestran que el material ferroeléctrico y la capacitancia negativa en la puerta dan como resultado una buena conmutación tanto en el estado de encendido como en el de apagado. El nuevo diseño cumple otro requisito:para que los transistores se enciendan y apaguen correctamente, no deben generar una propiedad electrónica dañina llamada histéresis.

La capacitancia negativa se creó con un proceso llamado deposición de capa atómica, que se utiliza comúnmente en la industria, haciendo que el enfoque sea potencialmente práctico para la fabricación.

La investigación está en curso, y el trabajo futuro explorará si los dispositivos se encienden y apagan lo suficientemente rápido como para ser prácticos para aplicaciones comerciales de ultra alta velocidad.

"Sin embargo, incluso sin conmutación ultrarrápida, el dispositivo aún podría tener un impacto transformador en una amplia gama de dispositivos que pueden funcionar a una frecuencia más baja y deben funcionar con niveles de potencia bajos, "Vosotros dijiste.