Une capacité négative dans les transistors topologiques pourrait réduire la charge énergétique insoutenable de l’informatique

Une capacité négative dans les transistors topologiques pourrait réduire la charge énergétique insoutenable de l'informatique

Les auteurs de l’étude ont quitté le Dr Mark Edmonds et le professeur Michael Fuhrer à droite. Crédit : École de physique et d’astronomie, Université Monash

Des chercheurs australiens ont découvert qu’une capacité négative pourrait réduire l’énergie utilisée dans l’électronique et l’informatique, qui représente 8 % de la demande mondiale d’électricité.

Les chercheurs de quatre universités du Centre d’excellence de l’ARC pour les futures technologies électroniques à faible consommation d’énergie (FLEET) ont appliqué une capacité négative pour faire commuter les transistors topologiques à une tension inférieure, réduisant potentiellement les pertes d’énergie d’un facteur 10 ou plus.

Ces résultats très prometteurs sont rapportés cette semaine lors du prestigieux International Electron Devices Meeting à San Francisco. Et bien que des défis restent à relever pour fabriquer un appareil de paillasse fonctionnel, le travail est couvert par une demande de brevet.

Que sont les transistors ?

Un transistor est un interrupteur électronique. Il a trois bornes, ou connexions : une tension appliquée à la borne de grille contrôle le courant qui peut circuler entre deux autres bornes (appelées bornes de source et de drain). Dans les puces informatiques, les transistors peuvent être « activés » (c’est-à-dire que le courant peut circuler) ou « désactivés » (le courant est bloqué), représentant les uns et les zéros qui constituent les opérations logiques binaires.

Allumer et éteindre un transistor nécessite de gaspiller une infime quantité d’énergie électrique à chaque fois. Mais avec les puces informatiques qui font fonctionner tous nos appareils électroniques contiennent des millions, voire des milliards de transistors, tous commutant des milliards de fois par seconde (à des fréquences de gigahertz), cela s’ajoute à beaucoup d’énergie gaspillée sous forme de chaleur. « C’est pourquoi votre téléphone ou votre ordinateur portable chauffe lorsque vous faites quelque chose qui nécessite beaucoup de calculs, comme le traitement d’une vidéo », explique le professeur Michael Fuhrer (Monash), chercheur de FLEET.

Dans l’ensemble, les technologies de l’information et de la communication (TIC) consomment environ 8 % de l’approvisionnement mondial en électricité, une quantité stupéfiante d’électricité qui double chaque décennie. Selon le plan décennal pour les semi-conducteurs publié en 2020, le déséquilibre entre la demande énergétique croissante des TIC et l’énergie disponible « limitera fortement » la croissance future de l’informatique.

Les puces informatiques d’aujourd’hui sont toutes faites de silicium, un semi-conducteur. Les semi-conducteurs sont des isolants, des matériaux qui normalement ne conduisent pas l’électricité. Cependant, ajouter un peu de charge électrique supplémentaire à un semi-conducteur le rend conducteur. Cette capacité du silicium à s’allumer et s’éteindre est à la base du transistor à effet de champ (FET) : la grille est connectée par un condensateur à une tranche de semi-conducteur passant entre les bornes de source et de drain. Une tension sur la grille charge ce condensateur, et la charge supplémentaire sur le semi-conducteur permet au courant de circuler de la source au drain.

Isolateurs topologiques

Au lieu du silicium, les chercheurs de FLEET travaillent avec de nouveaux types de matériaux quantiques appelés isolants topologiques. Ces matériaux sont isolants à l’intérieur, mais conduisent l’électricité sur leurs limites : s’ils sont tridimensionnels, ils conduisent sur leurs surfaces bidimensionnelles, et s’ils sont très minces (bidimensionnels), ils conduisent le long de leur surface unidimensionnelle. bords.

Transistors topologiques

Les chercheurs de FLEET ont découvert qu’un champ électrique peut être utilisé pour faire passer un matériau d’un isolant topologique (qui conduit l’électricité le long de ses bords) à un isolant normal (qui ne conduit pas du tout). Cela permet d’utiliser un matériau topologique comme transistor, appelé transistor à effet de champ quantique topologique (TQFET).

Une capacité négative dans les transistors topologiques pourrait réduire la charge énergétique insoutenable de l'informatique

Alors que les millions de transistors à l’intérieur de l’électronique moderne ne mesurent que quelques micromètres, leur fonction reflète celle des transistors à trois pattes familiers des radios et des kits d’électronique domestique des années 1970. Crédit : FLOTTE

Plus tôt cette année, les chercheurs de FLEET ont découvert que le TQFET peut commuter à une tension inférieure à celle d’un FET conventionnel, surmontant la soi-disant tyrannie de Boltzmann qui fixe la limite inférieure de la tension requise pour commuter un courant à température ambiante. Le chercheur de FLEET Muhammad Nadeem (Université de Wollongong) a déclaré : « La commutation basse tension est due à un effet appelé couplage spin-orbite, qui est plus fort dans les éléments plus lourds comme le bismuth. Nous avons découvert que les TQFET à base de bismuth pouvaient commuter à la moitié de la tension et un quart de l’énergie des FET conventionnels de taille similaire. »

Récemment, l’équipe a découvert qu’elle pouvait réduire la tension et l’énergie beaucoup plus loin en utilisant un condensateur négatif pour connecter le matériau topologique à la borne de grille.

Comment la capacité peut-elle être négative?

Un condensateur est constitué de deux conducteurs séparés par un isolant. Il a une capacité C, qui exprime la quantité de charge électrique Q sur les métaux lorsqu’une tension V est appliquée entre eux : C = Q/V. Normalement, c’est un nombre positif. S’il était négatif, le condensateur serait intrinsèquement instable et voudrait se charger sans appliquer de tension externe.

Mais c’est exactement ce que fait un matériau ferroélectrique ; il a une polarisation spontanée, qui charge ses surfaces. Ainsi, un matériau ferroélectrique peut être considéré comme ayant une capacité négative dans un certain régime, bien que ce régime ne soit normalement pas accessible car il est instable.

Salahuddin et Datta ont proposé en 2008 qu’un matériau ferroélectrique pourrait agir comme un condensateur négatif en combinaison avec la capacité de grille (positive) d’un FET, pour créer un condensateur combiné positif et stable. Le résultat net est d’amplifier le champ électrique dans un FET. Ils pensaient que cela pourrait permettre au FET de basculer à une tension inférieure.

« Malheureusement, en raison de certains effets très subtils dans le fonctionnement des FET, l’idée de capacité négative ne s’est pas avérée très utile dans les FET conventionnels », déclare le chercheur FLEET A/Prof Dmitrie Culcer (UNSW). « La baisse de tension due à la capacité négative disparaît dans un FET bien conçu, il semble donc qu’il n’y ait pas grand-chose à gagner en utilisant un condensateur négatif. »

La capacité négative augmente les transistors topologiques

Récemment, une équipe de chercheurs de FLEET aux nœuds du Centre Monash, RMIT, University of Wollongong et UNSW a réalisé que ce n’était pas le cas pour le TQFET. L’ajout d’une capacité négative (un matériau ferroélectrique) pour créer une capacité négative TQFET (NC-TQFET) amplifie le champ électrique, ce qui permet une commutation à des tensions et des énergies beaucoup plus faibles. « Le TQFET utilise un champ électrique pour la commutation, il peut donc bénéficier directement de l’amplification du champ électrique fournie par la capacité négative », explique le professeur Jared Cole (RMIT), chercheur de FLEET.

L’équipe a présenté les résultats lors de la réunion internationale 2021 sur les dispositifs électroniques à San Francisco cette semaine. Ils calculent qu’un NC-TQFET à base de bismuth utilisant du HfO2 dopé au La comme ferroélectrique (ce matériau ferroélectrique a déjà été intégré avec succès avec du silicium) pourrait atteindre une énergie de commutation dix fois inférieure à celle d’un FET au silicium de pointe. « Il y a encore plus de place pour l’amélioration », a déclaré Fuhrer, « des ferroélectriques plus avancés avec des polarisations résiduelles plus importantes pourraient permettre une commutation à des énergies encore plus basses. »

Cependant, de nombreux défis restent à relever pour créer un NC-TQFET fonctionnel sur la paillasse. Les isolants topologiques à base de bismuth avec la bonne structure n’ont pas encore été fabriqués et testés expérimentalement, et l’intégration de ces matériaux avec des couches ferroélectriques constituerait un défi supplémentaire. Pourtant, le NC-TQFET fournit un plan clair pour réduire l’énergie dans les futurs transistors.

Les chercheurs de FLEET ont déposé une demande de brevet sur le concept NC-TQFET, et FLEET recherche des opportunités de travailler avec des partenaires pour développer davantage la technologie. Les transistors topologiques ont été ajoutés l’année dernière à la feuille de route internationale IEEE pour les appareils et les systèmes, le plan directeur guidant les avancées exponentielles de la technologie des semi-conducteurs (cartographié par la célèbre loi de Moore) et comprend des plans pour « Plus de Moore », « Plus que de Moore » et au-delà -Technologies CMOS.

« Proposal for a Negative Capacitance Topological Quantum Field-Effect Transistor » a été présenté lors de la réunion internationale sur les dispositifs électroniques de l’Institute of Electrical and Electronics Engineers le 16 décembre 2021.


Dépasser la limite inférieure de la consommation d’énergie de calcul


Plus d’information:
Proposition pour un transistor à effet de champ quantique topologique à capacité négative, Actes de la réunion internationale 2021 sur les dispositifs électroniques, pp. 38.2.1-38.2.4 (2021).

Citation: La capacité négative dans les transistors topologiques pourrait réduire la charge énergétique non durable de l’informatique (2021, 16 décembre) récupéré le 16 décembre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-12-negative-capacitance-topological-transistors-unsustainable.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.