负电容场效应晶体管（NCFET）是2008年由美国普渡大学的S.萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）等人提出来的。负电容晶体管器件结构可以是铁电材料（FE）和顺电电介质（DE）之间有金属浮栅的结构（图1a），也可以是用铁电材料和顺电电介质串联形成栅介质的结构（图1b）。器件中的铁电材料会引入铁电介质电容（C_FE），C_FE可以为负值，C_FE与顺电电介质引起的金属-氧化物-半导体电容（C_MOS）串联，实现内部栅电压增益放大，即图1c中∂V_int/∂V_G>1，从而实现亚阈值摆幅（subthreshold swing; SS）小于60毫伏/十进位。负电容场效应晶体管电容模型如图1c所示（其中C_FE为铁电介质电容，C_DE为顺电电介质电容），其SS计算公式为：SS=(C_FE+C_MOS)/C_FEln(10)(kT/q)，式中k为玻耳兹曼常数；T为温度；q为基本电荷电量。当温度为300开尔文时，负电容场效应晶体管SS=(C_FE+C_MOS)/C_FE×60，如果C_FE<0，则SS可以小于60毫伏/十进位。

图1 NCFET结构示意图

铁电薄膜中负电容产生的物理机制与自发极化和去极化场直接相关。当外加电场与铁电中极化方向相反时，由于自发极化场的存在会导致电荷在界面处积累甚至超过电极提供的电荷，从而出现负斜率的P-V回滞。自发极化场同时在铁电薄膜中产生去极化场，使铁电薄膜中的总极化为0。也有研究显示去极化场是由铁电/金属界面处产生，或者在铁电/介电异质结中产生。

铁电材料为非线性电介质，根据Landau-Khalatnikov理论（L-K理论），在外加电场（E）时，铁电材料自由能（U）与极化（P）的关系为U=αP2+βP4+γP6-E×P，式中α、β、γ为材料参数；α在温度低于居里温度时为负值。在铁电材料中，电荷Q=εE+P≫P，ε为铁电材料相对介电常数。根据电容定义C_FE=[d2U/dP2]-1=1/(2α)，C_FE可以为负值。图2a为外加电压（V）为0时，铁电材料能量示意图，自发极化导致两个能量最低点，在P等于0附近，曲线曲率显示负电容的存在。在平衡态，即dU/dP=0时，P与外加电场E的关系为E=2αP+4βP3+6γP5，曲线如图2b中的红色虚线所示，即L-K理论计算的铁电材料极化随电场变化示意图。实验测试中只能测到图2b中黑色实线P-E回滞曲线，原因是C_FE的负电容状态极不稳定，很容易从负电容态跳转到能量最低点。负电容场效应晶体管研究中利用铁电与顺电介质薄膜串联，来稳定负电容。在负电容场效应晶体管器件设计中，C_FE与介电材料电容（C_DE）的匹配非常关键。图2c所示为铁电、顺电介质及铁电/顺电介质串联（FE/DE）能量随电荷Q的变化曲线。图2c中FE/DE电容C_FE/DE曲线仍然存在两个能量最低点，这时C_FE/DE仍然为负值，反映到晶体管中，器件转移特性曲线存在回滞；图2d中C_FE/DE为正值且能量最低点在Q=0处，铁电材料和顺电介质实现合适的匹配，对于固定的Q，FE/DE能量U比DE小，反映到晶体管中，器件没有回滞，且SS特性和电流会得到提升。

图2 NCFET相关曲线图