1. 引言
據(jù)2001 年的國際半導(dǎo)體技術(shù)未來發(fā)展預(yù)示,到2016 年MOSFET" title="MOSFET">MOSFETs 的物理溝道長度將達(dá)到低于10nm 的尺寸[1],,而這種尺寸條件會影響到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SET 與MOSFET 具有很好的互補性:SET 的功耗低、可集成度高,、有庫侖振蕩新特性等優(yōu)點,,而MOSFET 器件的高速、高電壓增益和高驅(qū)動特性可以補償SET 固有的缺點,。因此,,將來SET 與MOSFET 的混合在集成電路中共同占主導(dǎo)地位,對于解決納米尺寸的集成電路具有很好的應(yīng)用前景[3, 4]。
單電子進出量子點(島)使其上的靜電勢和能量狀態(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)用價值,,特別是在計算機和數(shù)字系統(tǒng)中,經(jīng)常要對兩個數(shù)的大小進行選擇決策,,因此,本文基于數(shù)字邏輯電路的設(shè)計思想,,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]進行了仿真驗證。
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(島)、兩個隧穿結(jié)和用來調(diào)節(jié)控制量子點中電子數(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,,隨著柵極電壓VG1的變化,兩個隧穿結(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,,就會發(fā)生電子隧穿效應(yīng),即電子離開量子點(島),,隧穿出一個結(jié),;或者電子隧穿一個結(jié),進入到量子點(島),。這種隧穿過程隨著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,相位向右移動,;當(dāng)VGS2>0 時,,相位向左移動。但如果VGS2<0 且VGS2較大時,,會產(chǎn)生較高的勢壘,,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)Ids
數(shù)字電路中,,最基本的單元在于邏輯門設(shè)計,。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,,SET并聯(lián)門實現(xiàn)邏輯函數(shù)Z =X•Y功能;當(dāng)a=1,,b=0 時,,SET并聯(lián)門實現(xiàn)邏輯函數(shù)Z =X•Y功能,。當(dāng)a=0,,SET求和門實現(xiàn)邏輯函數(shù)Z =X⊕Y功能,;當(dāng)a=1,SET求和門實現(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
3 SET/MOSFET 數(shù)值比較器的實現(xiàn)
在計算機和數(shù)字系統(tǒng)中,,特別是在計算機中都具有運算功能,,一種簡單而又常用的運算是比較兩個數(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 時的SET 并聯(lián)門電路實現(xiàn);
(X
利用a=0,b=1 時的SET 并聯(lián)門電路實現(xiàn),;
(X=Y)=XY+XY (3)
利用a= 1 時的SET 求和門電路實現(xiàn),。
結(jié)合以上分析,利用SET/MOSFET 的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計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,,一位比較器由五個雙柵SET,,三個耗盡型NMOSFET,三個恒流源構(gòu)成,。結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)容易,,更重要的是它的管子數(shù)大大減少,有利于進一步提高集成度,,較好的適應(yīng)了集成電路的發(fā)展要求,,同時MOSFET 晶體管的高速、高驅(qū)動性為下一級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)使用該模型對該一位比較器進行仿真,,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,,Z 為輸出信號,。當(dāng)輸入X 為高電平信號,,Y 為低電平信號,輸出Z 實現(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,,Y 為高電平信號,,輸出Z 實現(xiàn)的是X
5 結(jié)論
本文作者創(chuàng)新點:基于數(shù)字電路的邏輯設(shè)計思想,利用SET/MOSFET 混合結(jié)構(gòu)的傳輸特性,,設(shè)計構(gòu)造了一位數(shù)值比較器結(jié)構(gòu),。通過仿真分析和驗證,該比較器的優(yōu)點有:結(jié)構(gòu)簡單,;傳輸特性好,;驅(qū)動負(fù)載工作能力強,,通過適當(dāng)選取混合SET/MOSFET 的各個物理參數(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,;同時利用混合雙柵極SET/MOSFET 實現(xiàn)‘同或’功能大大減少了管子的數(shù)目,,更進一步提高了集成度,降低了功耗,,更有利于大規(guī)模集成電路的實現(xiàn),。
參考文獻:
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