Eletrônica

Transístor com "capacitância negativa" gasta menos energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  01/02/2018

Estrutura e imagens de microscopia eletrônica mostrando o transístor que explora o fenômeno da capacitância negativa. [Imagem: Mengwei Si]

Capacitância negativa

Uma propriedade inusitada, chamada "capacitância negativa", pode de fato ser explorada para criar um novo tipo de transístor de baixo consumo de energia, validando uma teoria proposta em 2008.

A capacitância, ou armazenamento de uma carga elétrica, normalmente tem um valor positivo. No entanto, a teoria dizia que, usando o material ferroelétrico adequado no transístor seria possível produzir uma capacitância negativa, o que poderia resultar em um consumo de energia muito menor para operar o transístor.

Os materiais ferroelétricos alternam sua polarização quando uma determinada tensão elétrica crítica é atingida. Isso gera uma acumulação repentina de carga elétrica na superfície do material em uma intensidade que pode momentaneamente exceder a carga fornecida aos eletrodos pela fonte de energia. Se um resistor for colocado entre os eletrodos e a energia da fonte elétrica externa for sendo reduzida, produz-se uma diminuição da tensão no material ferroelétrico enquanto a carga ainda está aumentando. Consequentemente, a capacitância - carga dividida pela tensão - terá um valor negativo.

É um estado não-estável, de curta duração, mas que pode ser explorado na prática - é isto que acaba de ser demonstrado experimentalmente.

Transístor com capacitância negativa

A confirmação prática da teoria foi feita usando uma camada extremamente fina, ou 2-D, do semicondutor molibdenita (dissulfeto de molibdênio) para construir um canal adjacente a uma parte crítica dos transistores, chamada base. A seguir, um material ferroelétrico chamado óxido de háfnio-zircônio foi usado para compor, junto a essa nova base, o componente-chave da nova arquitetura do transístor - o capacitor negativo.

O óxido de háfnio já é amplamente utilizado como material dielétrico - isolante - nas bases dos transistores de hoje. Mas Mengwei Si, da Universidade Purdue, nos EUA, descobriu que o efeito de capacitância negativa pode ser obtido com um material similar, o óxido de zircônio-háfnio.

"O objetivo principal é fazer transistores mais eficientes, que consomem menos energia, especialmente para aplicações com restrições de energia, como telefones celulares, sensores distribuídos e componentes emergentes para a internet das coisas," disse o professor Peide Ye, coordenador da equipe.

A teoria original para esse conceito foi proposta em 2008 por Sayeef Salahuddin e Supriyo Datta, colegas de Ye na mesma universidade.

Com ou sem velocidade

O transístor com capacitância negativa foi criado por um processo chamado deposição de camada atômica, que é comumente usado na indústria, tornando a abordagem potencialmente prática para a fabricação industrial.

Agora que os primeiros passos foram dados, a equipe pretende verificar se os transistores de capacitância negativa podem ser ligados e desligados rapidamente o suficiente para serem práticos para aplicações comerciais de alta velocidade.

"No entanto, mesmo sem um chaveamento ultrarrápido, o componente ainda pode ter um impacto transformador em uma ampla gama de dispositivos que podem operar em menor frequência e precisam operar com baixos níveis de energia," disse Ye.

Bibliografia:

Steep-slope hysteresis-free negative capacitance MoS2 transistors
Mengwei Si, Chun-Jung Su, Chunsheng Jiang, Nathan J. Conrad, Hong Zhou, Kerry D. Maize, Gang Qiu, Chien-Ting Wu, Ali Shakouri, Muhammad A. Alam, Peide D. Ye
Nature Nanotechnology
Vol.: 8 (2), pp 405-410
DOI: 10.1038/s41565-017-0010-1

Use of Negative Capacitance to Provide Voltage Amplification for Low Power Nanoscale Devices
Sayeef Salahuddin, Supriyo Datta
Nano Letters
DOI: 10.1021/nl071804g