Negative Capacitance Transistors

电容 晶体管 负阻抗变换器 电容器 材料科学 消散 半导体 凝聚态物理 物理 电压 光电子学 热力学 电极 量子力学 电压源
作者
Justin C. Wong,Sayeef Salahuddin
出处
期刊:Proceedings of the IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:107 (1): 49-62 被引量:115
标识
DOI:10.1109/jproc.2018.2884518
摘要

In recent years, the negative capacitance effect in ferroelectric (FE) materials has attracted significant attention from many researchers around the world. The negative capacitance effect promises to reduce the voltage requirement in conventional complementary metal-oxide-semiconductor transistors below what is otherwise believed to be the Boltzmann limit. In this paper, our objective is to discuss the fundamental underpinning of the negative capacitance effect and describe how it can be utilized for transistors. We shall start with a thermodynamic perspective to understand where the reduction in energy dissipation comes from. We then proceed to derive the S curve in an FE material from fundamental principles. The central result of this paper is to associate the negative slope region in the S curve to a physically definable configuration of dipoles in the crystal structure. The design of a negative capacitance transistor is essentially an exercise of stabilizing the FE in the negative slope region of the S curve using the semiconductor capacitance as a series capacitor.

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