퍼듀 대학 (Purdue University)의 연구팀에 의해 2008 년에 제안된 이론을 검증하여 전력 소비를 줄일 수 있는 새로운 유형의 트랜지스터에 음전하 용량이라는 특성을 활용하는 방법을 실험적으로 시연했다.

연구자들은 반도체 몰리브덴 이황화물의 극히 얇은 또는 2-D 층을 사용하여 게이트라 불리는 트랜지스터의 중요한 부분에 인접한 채널을 만들었다. 그런 다음 그들은 하프늄 지르코늄 산화물 (halfnium zirconium oxide)이라고 불리는 "강유전체 재료 (ferroelectric material)"를 사용하여 음의 커패시터라고 불리는 새롭게 설계된 게이트에 핵심 부품을 만들었다.

커패시턴스 또는 전하의 저장은 일반적으로 양수 값을 가진다. 그러나, 트랜지스터의 게이트에 강유전체 재료를 사용하면 음의 커패시턴스가 허용되어 트랜지스터를 동작시키는데 훨씬 낮은 전력 소모를 초래할 수 있다. 이러한 혁신은 배터리 충전으로 더 오래 실행되는 보다 효율적인 장치를 개발할 수 있다.

하프늄 산화물은 현재 오늘날의 트랜지스터 게이트에서 유전체 또는 절연 물질로 널리 사용되고 있다.

가장 중요한 목표는 특히 휴대 전화, 분산형 센서 및 사물 인터넷을 위한 신흥 부품과 같이 전력이 제한된 애플리케이션에 위한 소비 전력이 적은 효율적인 트랜지스터를 만드는 것이다.

연구 결과는 저널 네이쳐 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology, "Steep Slope Hysteresis-Free Negative Capacitance MoS2 Transistors")에 실린 연구 논문으로 자세히 보고 되었다.

트랜지스터는 신속하게 켜고 끌 수 있는 소형 스위치로서, 컴퓨터가 바이너리 코드로 정보를 처리할 수 있게 한다. 제대로 전기가 누출되지 않도록 하는 것이 중요하다. 이 스위칭은 열 이온 제한이라고 불리는 요구 조건인 전류가 10 배 증가할 때마다 최소 60 밀리 볼트가 필요하다. 그러나 음의 커패시턴스를 사용하는 트랜지스터는 훨씬 낮은 전압으로 스위칭하여 전력 소비를 줄이는 근본적인 한계를 깨뜨릴 수 있다.

새로운 발견은 게이트에서 강유전체 재료 및 음의 커패시턴스가 온 및 오프 상태 모두에서 양호한 스위칭을 발생시킨다는 것을 입증했다. 새로운 디자인은 또 다른 요구 조건을 만족시킨다. 트랜지스터가 적절히 켜졌다 꺼졌다 하기 때문에 히스테리시스 (hysteresis)라고 불리는 해로운 전기적 특성을 만들어서는 안된다.

음의 커패시턴스는 원자층 증착 (atomic layer deposition)이라고 불리는 공정으로 만들어졌으며, 이는 산업에서 일반적으로 사용되어 제조 방법을 잠재적이며 실용적으로 접근하게 한다.

연구가 진행 중이며, 향후 작업을 통해 장치가 초고속 상업용 애플리케이션에 실용적일 정도로 충분히 빨리 켜고 꺼지는지 여부를 조사할 예정이다.

그러나 초고속 스위칭이 없어도 낮은 주파수에서 작동할 수 있고 낮은 전력 수준으로 작동해야 하는 광범위한 장치에서 장치가 여전히 많은 영향을 미칠 수 있을 것이다.