[论文解读] Use of negative capacitance to provide a sub-threshold slope lower than 60 mV/decade

Sayeef Salahuddin, Supriyo Datta|ArXiv.org|Jul 13, 2007

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 9被引用 8

一句话总结

本文提出在场效应晶体管中使用铁电绝缘体作为栅极电介质，以在室温下实现低于基本60 mV/decade的亚阈值摆幅。通过利用铁电材料内部反馈产生的负电容效应，栅极电压被有效放大，从而在不改变晶体管核心物理特性或电流驱动能力的前提下实现超低功耗工作。

ABSTRACT

It is well known that conventional Field Effect Transistors (FET's) require a change in the channel potential of at least 60 mV at 300K to effect a change in the current by a factor of ten, and this minimum subthreshold slope S puts a lower limit of fundamental nature on the operating voltage and hence the power dissipation in standard FET based switches. Here we show that by replacing the standard insulator with a ferroelectric insulator of the right thickness it should be possible to implement a step-up voltage transformer that will amplify the gate voltage thus leading to values of S lower than 60 mV/decade and enabling low voltage/low power operation. The voltage transformer action can be understood intuitively as the result of an effective negative capacitance provided by the ferroelectric capacitor which arises from an internal positive feedback that in principle could be obtained from other microscopic mechanisms as well. Unlike other proposals to reduce S this involves no change in the basic physics of the FET and thus does not affect its current drive or impose other restrictions.

研究动机与目标

• 克服常规场效应晶体管在室温下的基本60 mV/decade亚阈值摆幅限制。
• 在不牺牲电流驱动能力或器件物理特性的前提下，实现基于FET的开关低电压、低功耗工作。
• 证明铁电绝缘体可通过负电容效应充当电压升压变压器，降低所需的栅极电压摆幅。
• 提供一种与现有FET架构兼容的解决方案，同时实现低于60 mV/decade的性能。

提出的方法

• 用厚度合适的铁电绝缘体替换FET中的标准绝缘体，以诱导负电容效应。
• 利用铁电材料内在的正反馈机制，放大沟道上的栅极电压。
• 通过等效电路分析建模系统，其中由于极化滞后，铁电电容表现出有效负电容。
• 从电压传输函数推导亚阈值摆幅，证明当满足负电容条件时，S < 60 mV/decade是可实现的。
• 通过分析能量景观和稳定性准则，确保负电容在物理上稳定且可实现。
• 确认该方法不改变晶体管的本征电流驱动能力，也未引入对FET工作的新约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，使用铁电栅极电介质能否将常规FET的亚阈值摆幅降低至60 mV/decade以下？
• RQ2 铁电材料的负电容效应如何在栅极堆栈中实现有效的电压放大？
• RQ3 所提出的机制是否与标准FET工作兼容，而不会降低电流驱动能力或引入新的物理约束？
• RQ4 在实际器件中实现负电容的稳定性与可行性条件是什么？
• RQ5 该方法能否在不改变晶体管基本物理原理的前提下，实现低功耗、低电压开关？

主要发现

• 通过使用适当厚度的铁电绝缘体，在300 K下可将亚阈值摆幅S降低至60 mV/decade以下。
• 电压放大源于铁电电容的有效负电容，其由内部正反馈驱动。
• 该机制不改变晶体管的本征电流驱动能力，也未对FET工作施加额外约束。
• 在合理设计条件下，负电容效应在理论上稳定且物理上可实现。
• 该方法可在保持基本FET结构和性能特征的同时，实现低电压、低功耗工作。
• 该方法为突破60 mV/decade的热力学极限提供了路径，且无需改变晶体管的基本物理原理。