拓扑晶体管中的负电容可以减少计算的不可持续的能量负载

澳大利亚研究人员发现，负电容可以降低用于电子和计算的能源，这占全球电力需求的 8%。ARC 未来低能耗电子技术卓越中心 (FLEET) 的四所大学的研究人员应用负电容使拓扑晶体管在较低电压下切换，从而可能将能量损失降低 10 倍或更多。

本周在旧金山举行的著名国际电子设备会议上报告了这些非常有希望的结果。虽然制造工作台式设备仍然存在挑战，但这项工作已包含在专利申请中。

什么是晶体管?

晶体管是一种电子开关。它具有三个端子或连接：施加到栅极端子的电压控制可以在其他两个端子(称为源极和漏极端子)之间流动的电流。在计算机芯片中，晶体管可以“开启”(即电流可以流动)或“关闭”(电流被阻断)，代表组成二进制逻辑运算的 1 和 0。

每次打开和关闭晶体管都需要浪费少量电能。但是，由于使我们所有电子设备工作的计算机芯片包含数百万甚至数十亿个晶体管，所有晶体管每秒开关数十亿次(以千兆赫频率)，这导致大量电能以热量的形式浪费掉。“这就是为什么当你做一些需要大量计算的事情时，你的手机或笔记本电脑会变热，比如处理视频，”FLEET 研究员 Michael Fuhrer 教授(蒙纳士)说。

总的来说，信息通信和技术 (ICT) 消耗了全球约 8% 的电力供应——这一惊人的电力量每十年翻一番。根据 2020 年发布的半导体十年计划，ICT 不断增长的能源需求与可用能源之间的不平衡将“严重限制”未来计算的增长。

今天的计算机芯片都是由硅制成的，这是一种半导体。半导体是绝缘体，通常不导电的材料。然而，给半导体增加一点额外的电荷会使它导电。硅的这种开启和关闭能力是场效应晶体管 (FET) 的基础：栅极通过电容器连接到在源极和漏极端子之间运行的半导体片。栅极上的电压为电容器充电，半导体上的额外电荷允许电流从源极流向漏极。

拓扑绝缘体

FLEET 研究人员正在研究称为拓扑绝缘体的新型量子材料，而不是硅。这些材料在内部是绝缘的，但在它们的边界上导电：如果它们是三维的，那么它们在二维表面上导电，如果它们很薄(二维)，它们沿着它们的一维导电边缘。

拓扑晶体管

FLEET 研究人员发现，电场可用于将材料从拓扑绝缘体(沿其边缘导电)转换为正常绝缘体(根本不导电)。这允许将拓扑材料用作晶体管，称为拓扑量子场效应晶体管 (TQFET)。

虽然现代电子产品中数百万个晶体管的尺寸只有微米，但它们的功能反映了 1970 年代收音机和家用电子设备套件中熟悉的三足晶体管的功能。信用：舰队

今年早些时候，FLEET 研究人员发现 TQFET 可以在比传统 FET 更低的电压下进行开关，克服了所谓的玻尔兹曼暴政，后者为在室温下切换电流所需的电压设定了下限。FLEET 研究员 Muhammad Nadeem(卧龙岗大学)说：“低电压切换是由于一种称为自旋轨道耦合的效应，这种效应在铋等较重元素中更强。我们发现基于铋的 TQFET 可以以一半的速度切换电压和能量是类似尺寸的传统 FET 的四分之一。”

最近，该团队发现他们可以通过使用负电容器将拓扑材料连接到栅极端子来进一步降低电压和能量。

电容怎么可能是负的?

电容器由被绝缘体隔开的两个导体组成。它有一个电容 C，它表示在金属之间施加电压 V 时金属上的电荷量 Q：C = Q/V。通常这是一个正数。如果它是负的，则电容器本身就不稳定，并且想要在不施加任何外部电压的情况下充电。

但这正是铁电材料所做的;它具有自发极化，为其表面充电。因此，可以认为铁电材料在某个范围内具有负电容，尽管通常无法访问该范围，因为它不稳定。

Salahuddin 和 Datta 在 2008 年提出，铁电材料可以作为负电容器与 FET 的(正)栅极电容相结合，以制成正且稳定的组合电容器。最终结果是放大了 FET 中的电场。他们认为这可能允许 FET 在较低电压下切换。

“不幸的是，由于 FET 工作方式中的一些非常微妙的影响，负电容的想法在传统 FET 中并没有被证明非常有用，”FLEET 研究员 A/Prof Dmitrie Culcer (UNSW) 说。“在设计良好的 FET 中，负电容导致的电压降低消失了，因此使用负电容似乎没有什么好处。”

负电容提升拓扑晶体管

最近，位于莫纳什、皇家墨尔本理工大学、卧龙岗大学和新南威尔士大学中心节点的 FLEET 研究人员团队意识到，TQFET 并非如此。添加负电容(铁电材料)以制作负电容 TQFET (NC-TQFET) 会放大电场，从而能够在低得多的电压和能量下进行开关。“TQFET 使用电场进行开关，因此可以直接受益于负电容提供的电场放大，”FLEET 研究员 Jared Cole 教授 (RMIT) 说。

该团队在本周于旧金山举行的 2021 年国际电子设备会议上报告了结果。他们计算出使用 La 掺杂的 HfO2 作为铁电体(这种铁电体材料已经成功与硅集成)的基于铋的 NC-TQFET 可以实现比最先进的硅 FET 低十倍的开关能量。“还有更大的改进空间，”Fuhrer 说，“具有更大剩余极化的更先进的铁电体可以实现更低能量的切换。”

然而，在台式机上制造可工作的 NC-TQFET 仍然存在许多挑战。具有正确结构的铋基拓扑绝缘体尚未制成并进行实验测试，将这些材料与铁电层集成将构成进一步的挑战。尽管如此，NC-TQFET 还是为降低未来晶体管的能量提供了清晰的蓝图。

FLEET 研究人员已就 NC-TQFET 概念申请专利，FLEET 正在寻找机会与合作伙伴合作进一步开发该技术。拓扑晶体管去年被添加到 IEEE 设备和系统国际路线图，这是国际公认的指导半导体技术指数级进步的蓝图(由著名的摩尔定律映射)，并包括“更多摩尔”、“超越摩尔”等计划-CMOS 技术。

“关于负电容拓扑量子场效应晶体管的提案”于 2021 年 12 月 16 日在电气和电子工程师协会的国际电子器件会议上发表。

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