Les chercheurs ont démontré expérimentalement comment exploiter une propriété appelée capacité négative pour un nouveau type de transistor qui pourrait réduire la consommation d'énergie, valider une théorie proposée en 2008 par une équipe de l'Université Purdue.

Les chercheurs ont utilisé un matériau extrêmement fin, ou 2-D, couche de bisulfure de molybdène semi-conducteur pour créer un canal adjacent à une partie critique des transistors appelée la grille. Ensuite, ils ont utilisé un "matériau ferroélectrique" appelé oxyde de hafnium et de zirconium pour créer un composant clé dans la grille nouvellement conçue, appelé condensateur négatif.

Capacitance, ou le stockage de charge électrique, a normalement une valeur positive. Cependant, l'utilisation du matériau ferroélectrique dans la grille d'un transistor permet une capacité négative, ce qui pourrait entraîner une consommation d'énergie beaucoup plus faible pour faire fonctionner un transistor. Une telle innovation pourrait apporter des appareils plus efficaces qui fonctionnent plus longtemps avec une charge de batterie.

L'oxyde d'hafnium est maintenant largement utilisé comme diélectrique, ou matériau isolant, dans les grilles des transistors d'aujourd'hui. Le nouveau design remplace l'oxyde d'hafnium par de l'oxyde de zirconium hafnium, dans le travail dirigé par Peide Ye, Richard J. et Mary Jo Schwartz de Purdue, professeur de génie électrique et informatique.

"L'objectif primordial est de fabriquer des transistors plus efficaces qui consomment moins d'énergie, en particulier pour les applications à faible consommation d'énergie telles que les téléphones mobiles, capteurs distribués, et des composants émergents pour l'internet des objets, " Tu as dit.

Les résultats sont détaillés dans un article de recherche publié le 18 décembre dans la revue Nature Nanotechnologie .

La théorie originale du concept a été proposée en 2008 par Supriyo Datta, le professeur distingué Thomas Duncan de génie électrique et informatique, et Sayeef Salahuddin, qui était doctorant Purdue à l'époque et est maintenant professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie, Berkeley.

L'auteur principal de l'article était Mengwei Si, doctorant en génie électrique et informatique de Purdue. Parmi les co-auteurs de l'article figurent Ye; Ali Shakouri, Mary Jo et Robert L. Kirk, directeur du Birck Nanotechnology Center de Purdue et professeur de génie électrique et informatique; et Muhammad A. Alam, le professeur Jai N. Gupta de génie électrique et informatique, qui a apporté des contributions critiques et de grande envergure à la théorie décrivant la physique derrière les dispositifs à capacité négative.

Les transistors sont de minuscules interrupteurs qui s'allument et s'éteignent rapidement, permettre aux ordinateurs de traiter les informations en code binaire. Une mise hors tension correcte est particulièrement importante pour s'assurer qu'aucune électricité ne « fuit » à travers. Cette commutation nécessite normalement un minimum de 60 millivolts pour chaque multiplication par dix du courant, une exigence appelée la limite thermoionique. Cependant, les transistors qui exploitent une capacité négative pourraient briser cette limite fondamentale, commutation à des tensions beaucoup plus basses et résultant en moins de consommation d'énergie.

De nouvelles découvertes démontrent que le matériau ferroélectrique et la capacité négative dans la grille permettent une bonne commutation dans les états activé et désactivé. La nouvelle conception répond à une autre exigence :pour que les transistors s'allument et s'éteignent correctement, ils ne doivent pas générer une propriété électronique nocive appelée hystérésis.

La capacité négative a été créée avec un processus appelé dépôt de couche atomique, qui est couramment utilisé dans l'industrie, rendant l'approche potentiellement pratique pour la fabrication.

La recherche est en cours, et les travaux futurs exploreront si les appareils s'allument et s'éteignent suffisamment rapidement pour être pratiques pour les applications commerciales à ultra-haute vitesse.

"Toutefois, même sans commutation ultrarapide, l'appareil pourrait encore avoir un impact transformateur dans une large gamme d'appareils qui peuvent fonctionner à une fréquence plus basse et doivent fonctionner avec de faibles niveaux de puissance, " Tu as dit.