Forschung -

Die langjährige Suche nach dem transformativen Transistor

Feldeffekttransistoren mit negativer Kapazität werden derzeit intensiv erforscht, um traditionelle Transistoren effizienter zu machen - und zwar durch einfaches Hinzufügen eines Dünnfilms aus dielektrischem Material.

Smartphones enthalten Milliarden von winzigen Transistoren, mit denen wir uns um unzählige Aufgaben kümmern können, die über das Telefonieren hinausgehen - das Senden von Texten, das Navigieren in der Nachbarschaft, das Erfassen von Selfies und Suchergebnissen.

Die Transistoren verfügen über einen elektrisch leitenden Kanal, dessen Leitfähigkeit durch eine Gateanschluss verändert werden kann, der vom Kanal durch einen nur fünf bis sechs Atome dicken dielektrischen Film getrennt ist.

Transistoren werden seit 50 Jahren entsprechend dem Moore'schen Gesetz miniaturisiert - eine Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle 18 Monate verdoppeln kann, während sich die Kosten dabei halbieren. Aber jetzt sind wir an dem Punkt angelangt, an dem sich die Transistoren nicht mehr weiter skalieren lassen.

In der Zeitschrift "Applied Physics Letters" bewerten Forscher negativ kapazitive Feldeffekttransistoren (NC-FETs), ein neues Elementekonzept, das vorschlägt, dass traditionelle Transistoren durch einfaches Hinzufügen einer dünnen Schicht ferroelektrischen Materials wesentlich effizienter gemacht werden können. Wenn es funktioniert, könnte derselbe Chip weitaus mehr berechnen, aber weniger häufiges Laden seiner Batterie erfordern.

Die Physik der Technologie wird weltweit untersucht, und in ihrem Bericht fassen die Forscher die neuesten Arbeiten mit NC-FETs und die Notwendigkeit einer selbstkonsistenten und kohärenten Interpretation einer Vielzahl von Experimenten, die in der Literatur berichtet werden, zusammen.

"NC-FETs wurden ursprünglich von meinem Kollegen Professor Supriyo Datta und seinem Doktoranden Sayeef Salahuddin vorgeschlagen, der jetzt Professor an der University of California, Berkeley, ist", sagte Professor Muhammad Ashraful Alam von der der Purdue University.

Von Anfang an fand Alam das Konzept der NC-FETs faszinierend - nicht nur, weil es ein dringendes Problem der Suche nach einem neuen elektronischen Schalter für die Halbleiterindustrie betrifft, sondern auch, weil es als konzeptioneller Rahmen für eine breite Klasse von Phasenübergangselementen dient, die zusammenfassend als "Landau-Schalter" bezeichnet wird.

"In jüngster Zeit, als mein Kollege und Co-Autor Professor Peide Ye begann, diese Transistoren experimentell zu demonstrieren, war es eine sehr gute Gelegenheit, mit ihm zusammenzuarbeiten, um die faszinierenden Eigenschaften dieser Elementetechnologie zu erforschen", sagte Alam. "Unser Artikel fasst unsere Sichtweisen des Theoretikers und des Experimentators zu diesem Thema zusammen."

Obwohl Hunderte von Artikeln zu diesem Thema veröffentlicht wurden, wird nach Ansicht der Forscher die Gültigkeit von quasistatischem NC und die Grenzen der Frequenzzuverlässigkeit von NC-FETs immer noch heftig diskutiert.

Wenn sie abschließend demonstriert und in moderne ICs integriert werden, wird die Wirkung der NC-FET-Transistoren transformativ sein. "Angesichts des Potenzials ist eine systematische Analyse des Elementekonzepts erforderlich", sagt Ye.

"Wir haben festgestellt, dass die Daten aus verschiedenen Gruppen sehr weit gestreut sind, zumal die Forscher sehr unterschiedliche Techniken verwenden, um ihre Elemente zu charakterisieren. Dies erfordert eine integrierte und umfassende Analyse des vorhandenen Datensatzes."

Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit die 'Community' zusammenbringt, um Vorschläge für koordinierte Fortschritte bei der Realisierung dieser vielversprechenden Technologie zu machen.

Der Forschungsbericht "A critical review of recent progress on negative capacitance field-effect transistors" wurde von Muhammad A. Alam, Mengwei Si und Peide D. Ye verfasst. Er erschien in "Applied Physics Letters".(DOI: 10.1063/1.5092684) https://doi.org/10.1063/1.5092684.

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