1. 引言

　　據(jù)2001 年的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)未來(lái)發(fā)展預(yù)示，到2016 年MOSFET" title="MOSFET">MOSFETs 的物理溝道長(zhǎng)度將達(dá)到低于10nm 的尺寸[1],，而這種尺寸條件會(huì)影響到MOSFETs 的基本工作原理,，因此必須尋找新的替代器件。單電子晶體管" title="單電子晶體管">單電子晶體管(Single-Electron Transistor,，SET)具有較小體積,、較低功耗和較高開關(guān)速度性能，其高度集成化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前大規(guī)模集成化的極限,，被認(rèn)為是下一代超大規(guī)模集成電路的理想器件[2],。同時(shí)SET 與MOSFET 具有很好的互補(bǔ)性：SET 的功耗低、可集成度高,、有庫(kù)侖振蕩新特性等優(yōu)點(diǎn),，而MOSFET 器件的高速、高電壓增益和高驅(qū)動(dòng)特性可以補(bǔ)償SET 固有的缺點(diǎn),。因此,，將來(lái)SET 與MOSFET 的混合在集成電路中共同占主導(dǎo)地位，對(duì)于解決納米尺寸的集成電路具有很好的應(yīng)用前景[3, 4],。

　　單電子進(jìn)出量子點(diǎn)（島）使其上的靜電勢(shì)和能量狀態(tài)發(fā)生很大變化,，它就可以作為傳遞數(shù)值信息的載體，制備成單電子存儲(chǔ)器和單電子邏輯電路等等,。因此，SET 在現(xiàn)代電路的微電子領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值,，特別是在計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)中,，經(jīng)常要對(duì)兩個(gè)數(shù)的大小進(jìn)行選擇決策，因此,，本文基于數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)思想,，首先研究了雙柵極SET 的輸入特性，再利用SET/MOSFET 通用方波門特性討論了具有‘與’,、‘或’和‘異或’等功能的電路,，并利用這些電路構(gòu)造了一位比較器" title="比較器">比較器電路結(jié)構(gòu)，最后用SET 的MIB 模型[5]進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。

　　2. 混合SET/MOSFET 結(jié)構(gòu)與特性

　　2.1 雙柵極SET 的特性

　　SET 由源極,、漏極、與源漏極耦合的量子點(diǎn)（島）,、兩個(gè)隧穿結(jié)和用來(lái)調(diào)節(jié)控制量子點(diǎn)中電子數(shù)的柵極組成,。雙柵極單電子晶體管可以等效為一個(gè)四端元件[6],，如圖1（a）所示。圖中CD和CS為隧穿結(jié)電容, RD和RS為隧穿結(jié)電阻,，CG1和CG2為柵極電容,，VG1和VG2為柵極電壓，VDS為偏置電壓,。

圖1 （a）雙柵極SET的等效示意圖 （b）雙柵極SET的I-V特性

　　當(dāng)漏極與源極間電壓VDS不變時(shí),，隨著柵極電壓VG1的變化，兩個(gè)隧穿結(jié)上電壓也隨之相應(yīng)變化,，當(dāng)隧穿結(jié)上電壓大于開啟電壓時(shí),，就會(huì)發(fā)生電子隧穿效應(yīng)，即電子離開量子點(diǎn)（島）,，隧穿出一個(gè)結(jié),；或者電子隧穿一個(gè)結(jié)，進(jìn)入到量子點(diǎn)（島）,。這種隧穿過(guò)程隨著VG的變化呈現(xiàn)為周期性如圖1（b）所示,。當(dāng)VDS較小，漏極與源極間電流iDS表現(xiàn)出所謂的庫(kù)侖振蕩形式,，其振蕩電壓的間隔是e/CGS1（e 是基本電荷）,。另外，當(dāng)VGS2<0 時(shí),，相位向右移動(dòng),；當(dāng)VGS2>0 時(shí)，相位向左移動(dòng),。但如果VGS2<0 且VGS2較大時(shí),，會(huì)產(chǎn)生較高的勢(shì)壘，阻礙了隧穿電流的產(chǎn)生,，所以GS2 V 取值一般不應(yīng)太小[7],。

　　2.2 雙柵極SET 與MOSFET 的混合特性

　　由SET 的周期振蕩特性和MOSFET 的閾值電壓特性可構(gòu)成雙柵極SET/MOSFET 通用方波電路[8]，它是構(gòu)成邏輯門電路的基本單元,，如圖2 所示,。

　　圖中雙柵SET/MOSFET 的通用方波電路由SET、MOSFET 和恒流源構(gòu)成,。SET 的漏極電壓由Vgg 控制,，Vgg-Vth 要足夠低以確保SET 漏源電壓近似恒定工作在庫(kù)侖振蕩條件下，Vcon控制漏電流周期振蕩的相位,。接入恒流源Io 后,，當(dāng)IdsIo時(shí)，輸出電壓為低電平,。同時(shí),，這里的恒流源Io 可利用耗盡型NMOSFET 設(shè)置加以實(shí)現(xiàn),。

　　數(shù)字電路中，最基本的單元在于邏輯門設(shè)計(jì),。在上述電路基礎(chǔ)上,，由雙柵SET/MOSFET基本電路單元可構(gòu)造出所需的邏輯‘與或非’、‘異或’等基本門電路結(jié)構(gòu)[9],，如圖（3）所示,。當(dāng)a=0，b=1 時(shí),，SET并聯(lián)門實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)Z =X•Y功能,；當(dāng)a=1，b=0 時(shí),，SET并聯(lián)門實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)Z =X•Y功能,。當(dāng)a=0，SET求和門實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)Z =X⊕Y功能,；當(dāng)a=1,，SET求和門實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)Z =X⊕Y功能。

圖3 SET/MOSFET 構(gòu)成的邏輯門電路及相應(yīng)符號(hào)

　　3 SET/MOSFET 數(shù)值比較器的實(shí)現(xiàn)

　　在計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)中,，特別是在計(jì)算機(jī)中都具有運(yùn)算功能,，一種簡(jiǎn)單而又常用的運(yùn)算是比較兩個(gè)數(shù)X 和Y 的大小，因此,，在多情況下都用到數(shù)字比較器,，需要判斷出X>Y,X

(X>Y)=XY (1)

　　利用a=1,，b=0 時(shí)的SET 并聯(lián)門電路實(shí)現(xiàn)；

(X

　　利用a=0,，b=1 時(shí)的SET 并聯(lián)門電路實(shí)現(xiàn),；

(X=Y)=XY+XY （3）

　　利用a= 1 時(shí)的SET 求和門電路實(shí)現(xiàn)。

　　結(jié)合以上分析,，利用SET/MOSFET 的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一位比較器的電路，如圖4 所示,。

圖4 一位比較器電路圖

　　由圖4 可以看出,，一位比較器由五個(gè)雙柵SET，三個(gè)耗盡型NMOSFET,，三個(gè)恒流源構(gòu)成,。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易,，更重要的是它的管子數(shù)大大減少,，有利于進(jìn)一步提高集成度,，較好的適應(yīng)了集成電路的發(fā)展要求，同時(shí)MOSFET 晶體管的高速,、高驅(qū)動(dòng)性為下一級(jí)電路的提供了可靠的工作環(huán)境,。

　　4 仿真分析

　　Mahapatra, Ionescu, Banerjee 等人2004 年提出SET 的MIB 數(shù)學(xué)模型[5]。該模型可以精確地描述SET 低溫低功耗下的I-V 特性,。適當(dāng)選取SET/MOSFET 的各物理參數(shù)使用該模型對(duì)該一位比較器進(jìn)行仿真,，得到圖5 的參數(shù)仿真分析結(jié)果，各參數(shù)選取如表1 所示,。

　　圖5 中X 和Y 為輸入信號(hào),，Z 為輸出信號(hào)。當(dāng)輸入X 為高電平信號(hào),，Y 為低電平信號(hào),，輸出Z 實(shí)現(xiàn)的是X>Y 功能，如圖5 所示,。同理可得,，當(dāng)輸入X 為低電平信號(hào)，Y 為高電平信號(hào),，輸出Z 實(shí)現(xiàn)的是X雙柵極SET/MOSFET 實(shí)現(xiàn)‘同或’功能的正確性,。其次，比較器的輸入高低電平分為110mV 和0V,，而輸出高低電平逼近于1V 和0V,，從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可見(jiàn)，低輸入高輸出電壓可較好地驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路,。最后,，由MIB 的仿真模型，可以算出通過(guò)偏置電壓VDD 的漏電流為6.3E-9A ,，從而得出該比較器的靜態(tài)總功耗為6.3nW,。所以用SET/MOSFET 構(gòu)成的電路具有極低的功耗，量級(jí)為nW 級(jí),，它比CMOS 電路低4-5 個(gè)量級(jí),。

　　5 結(jié)論

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：基于數(shù)字電路的邏輯設(shè)計(jì)思想，利用SET/MOSFET 混合結(jié)構(gòu)的傳輸特性,，設(shè)計(jì)構(gòu)造了一位數(shù)值比較器結(jié)構(gòu),。通過(guò)仿真分析和驗(yàn)證，該比較器的優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,；傳輸特性好,；驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作能力強(qiáng)，通過(guò)適當(dāng)選取混合SET/MOSFET 的各個(gè)物理參數(shù)，尤其是SET 的物理參數(shù),，可以達(dá)到低輸入電壓和高輸出電壓,；同時(shí)利用混合雙柵極SET/MOSFET 實(shí)現(xiàn)‘同或’功能大大減少了管子的數(shù)目，更進(jìn)一步提高了集成度,，降低了功耗,，更有利于大規(guī)模集成電路的實(shí)現(xiàn)。

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