负电容 （NC） 主要用于降低电子设备的功耗并实现超低功耗纳米电子学。通过利用铁电材料的独特性能，NC 可用于克服传统晶体管的局限性，并有可能带来更节能的电子设备，从传感器到高频、高功率氮化镓 （GaN） HEMT。
正常电容是存储与施加电压成比例的电荷的能力。当电荷的变化发生在与施加电压变化相反的方向时，这就是 NC。
NC 主要存在于某些铁电材料中，有时称为铁电负电容。这些铁电体在其转变温度以下表现出双自由能特性（图1a）。当绘制材料中的极化 （P） 与电场 （E） 时，这会导致“S”形曲线（图 1b）。
可以表现出 NC 特性的铁电材料示例包括：
氧化铪锆 （HfO2-ZrO2） 已用作计算机芯片中的高 K 电介质，已显示出在数控应用中的前景。
锆酸铅 （PbZrO3） 具有反铁电特性，并在非极性到极性相变期间表现出 NC。
二氧化铪 （HfO2） 或哈骪是一种高 K 介电材料，有时用于代替 MOSFET 中的二氧化硅 （SiO2）。当结合使用时，哈夫尼亚和 SiO2 可以产生 NC 效果。
钛酸铅 （PbTiO3），尤其是纳米级层，正在开发用于数控应用。
将铁电层与介电层（如 SiO2）结合，可以创建具有 NC 的结构。这些异质结构正在被研究为克服玻尔兹曼极限的可能工具。
玻尔兹曼极限是指理论上可实现的最小亚阈值摆幅（SS），这是衡量FET开关效率的关键指标。等效氧化物厚度 （EOT） 缩放是一种旨在减少栅极电介质有效厚度的工具，从而增加电容并提高器件的性能。
EOT 缩放会遇到非常薄的介电层的极限。使用高 K 金属栅极 （HKMG） 是支持 IC 中 FET 持续扩展的常用方法。然而，HKMG 解决方案的使用正达到极限。
如上所述，铪是一种高 K 介电材料，可用于代替 FET 中的 SiO2。当结合使用时，铪和 SiO2 可以产生 NC 效应，并且是正在探索的材料之一，作为突破玻尔兹曼极限的可能解决方案。
当 NC 集成到 FET 的栅极堆栈中时，它可以有效地放大晶体管内的内电位，从而允许施加的栅极电压变化更小，以实现通道电位的相同变化，从而导致更陡峭的亚阈值摆幅并超过玻尔兹曼极限（图 2）。
与 IC 中的 FET 一样，用于 5G 和功率转换的 GaN HEMT 也有一个称为 HEMT 限制的限制，它指的是频率、功率和温度方面的工作限制。典型的 GaN HEMT 依赖于肖特基栅极来实现大电流“导通”状态。然而，这可能导致“关闭”状态下的高栅极泄漏，从而影响效率。
常见的解决方案是添加传统的介电层以减少泄漏。这也减少了“导通”电流，从而产生了权衡。尽量减少权衡的一种方法是在栅极金属和AlGaN势垒层之间添加一层薄薄的介电材料，形成金属-绝缘体-半导体HEMT（MIS-HEMT），从而降低漏电流并增强开关性能。
通过加入铁相 NC 层，研究人员已经证明可以消除权衡。NC 增强了栅极对通道的控制，提高了“导通”电流，而铁电层还有助于减少泄漏（图 3）。
在NC中，存储电荷的变化方向与施加电压的变化相反，例如，当电压降低时增加。NC正在应用于数字和功率半导体器件。对于数字器件，它可以帮助克服玻尔兹曼极限，而对于氮化镓 HEMT，它可能能够同时增强栅极控制并减少泄漏。
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