关键字 |
| 库仑封锁、单电子隧道效应阈值逻辑门,隧道结。 |
介绍 |
| 单电子吸引了太多的关注,因为它们非常低功耗和超小尺寸[1]。由于晶体管密度大小和相应的增加促进改善半导体为基础的设计。金属氧化物半导体技术可能会持续一些年的著名的扩展结构几何[2]。有报告表明MOS晶体管无法缩小超出一定限度[3]。单电子是一个可能的继任者技术具有更大的扩展潜力。单电子隧道效应(集)技术是未来最有前途的技术来满足所需的密度增加,性能和降低功耗(4、5)。的主要设备设置电路单个电子的隧道结可以移动控制的方式[5]。隧道结的操作是基于库仑封锁[6];电子的隧穿成一个超小的导电岛是被充电能量。有很多报告组晶体管使用金属,砷化镓,Si [7]。 Single-electron memories using metals and Si have also been widely investigated [7]. Any function can be computed using a network of conventional Boolean gates such as AND, OR, NAND and NOR logic gates. However, there are alternative logic design styles, such as threshold gate based logic, that may be more suitable for novel technologies such as single electron tunnelling technology. Threshold gates are fundamentally more powerful than the conventional Boolean gates. Moreover a number of theoretical investigations suggest that threshold logic may be a promising design approach. |
| 在本文中,我们首先简要讨论单电子的基本物理设备。一些基于单电子器件阈值逻辑门等,或者和和缓冲/不。描述一个化学过程的控制单元,设计并实现了基于单电子器件的阈值逻辑门。提出了控制单元的分析和结果进行了讨论。 |
的基本物理 |
| 单电子隧道结的基本组件。隧道结可以被认为是由一层薄薄的分开两个导体绝缘材料,如图1所示。隧道结可以被认为是一个漏水的电容器[8]的特点是一个电容Cj Rj和阻力,其中每个取决于隧道结的物理尺寸和绝缘的厚度。电子的传输通过隧道结称为隧道。 |
| 电子被认为隧道通过隧道结一个接一个(8、9)。即使只有一个电子隧道可能产生潜在的e / C在隧道结(C是总电容和e = 1.602 x 10 - 19 C)。所需的阈值电压的电压在电子隧道通过的隧道结结称为临界电压(Vc)和由[8]给出: |
 (1) |
| (1)、Cj结电容和Ce是剩余部分的等效电容电路从隧道结的角度来看。隧道的事件会发生在隧道结当且仅当Vj穿过隧道结电压大于或等于风投我。e Vc,否则隧道事件不可能发生。如果Vc电路处于稳定状态。 |
| 一个阈值逻辑门 |
| 阈值逻辑门(TLG)设备可以计算任何线性可分的布尔函数由[8]。 |
 (2) |
| 和 |
 (3) |
| 习是一个阈值,是第i个输入和wi是相应的整数的重量。如果输入的加权和n wiξ1大于或等于门产生逻辑1输出;否则输出将逻辑0。 |
| TLG门象征和结构的n输入TLG无花果中描述2 (a)和(b)。输入电压Vp的加权输入的功放Cp被添加到Vj和输入电压Vn加权输入参数Cn Vj相减。隧道结的临界电压Vc可以调节偏压Vb加权Cb作为阈值。函数F (X)的电路 |
 (4) |
 (5) |
| 通用阈值门在这里描述可用于实现逻辑函数。防止负载效应以及保持正确的电压水平,设置缓冲/反相连接的输出TLG (10)。这种缓冲/逆变器的电路见图3。 |
设计过程的控制器 |
| 的过程控制器框图是取自Ref。10如图4所示为便于讨论。温度和压力是输入变量。输出变量信号加热器、阀门和报警。 |
| 行使控制打开或关闭一个加热器和打开或关闭阀门。下面给出了控制规则[10]: |
| 1。如果温度和压力在正常范围内,关闭加热器并关闭阀。 |
| 2。如果温度正常,关闭加热器。打开阀如果压力高于正常并关闭它如果低于正常。 |
| 3所示。如果压力是正常的,关闭阀门。打开加热器,如果温度低于正常,如果温度高于正常把它关掉。 |
| 4所示。如果压力高于正常温度低于正常打开阀门,关闭加热器。 |
| 5。如果温度高于正常和压力低于正常,关闭加热器并关闭阀。 |
| 6。如果温度和压力均高于或低于正常,环警报和关闭工厂。 |
| 的温度和压力变量编码如表1所示,输出变量编码如表2所示。 |
| 控制器设计的真值表是表3所示。 |
| 控制单元的逻辑表达式实现B H。C、V C R B。D,设计完成后传统的数字系统设计方案,可以发现在Ref。10,因此这里不详细。在这里,我们感兴趣的是单电子控制器的基于阈值逻辑实现。过程的逻辑电路控制器是图5所示。 |
| 2-input和2-input和盖茨的阈值方程可以写成 |
 (6) |
 (7) |
| 可能有任何电路中电路参数的变化。最大化的鲁棒性等参数值的变化,阈值=我(我是一个整数)的平均间隔(我所取代。e = i-1/2)[8]和(6)和(7)写成 |
 (8) |
 (9) |
| 2-input和盖茨和2-input LTG结构相同但他们会有不同的电路参数值。2-input和/或门的结构如下所示。 |
| 当一个缓冲连接,我们需要反向的积极的和消极的加权输入相应的逻辑函数。缓冲2-input和/或门的结构是图6所示。 |
| 缓冲盖茨的阈值方程可以写成 |
| Y =和(a, b) =胡志明市{b + 1.5} (10) |
| Y =或(a, b) =胡志明市{b + 0.5} (11) |
| 假设逻辑“0”= 0 V,逻辑“1”= 16个mv, Rj = 105欧姆和Cj = 0.1房颤,电路参数的值为2-input和浇口设计从方程(4),(5)和(10)和或门从方程(4),(5)和(11),分别。给出的值在表二世。缓冲/逆变器的电路参数值取自Ref。7。 |
结果和讨论 |
| 仿真实验验证了该过程控制单元使用西蒙[11]。完整的单电子电路TLG基于过程控制电路在图7。 |
| 图8显示了仿真的结果。在模拟,A, B, C和D是输入变量;H、V和R的输出变量。从模拟结果发现令人满意 |
结论 |
| 控制单元的设计和仿真的过程控制器使用单电子阈值逻辑门。完整的电路实现控制单元设计和仿真验证了西蒙。控制单元的性能被发现是满意从而建立未来的可行性VLSI / ULSI电路使用基于集合的tlg快得多。 |
表乍一看 |
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数据乍一看 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5一个 |
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| 图5 b |
图6 |
图7 |
图8 |
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引用 |
- k . Likharev单电子设备和他们的应用程序,“Proc, IEEE vol.87,不。4页。606 - 632年,1999年。
- w·R Fahrner”、纳米技术和nanoelectronics-Materials设备,测量技术,“激飞印度再版,2006。
- Y。τ,D.A.布坎南,W。陈,D。弗兰克,K。伊斯梅尔,S。瞧,G。Sai-Halasz, R。Viswanathan, H。什么,年代。风,和H。Wong“向纳米CMOS缩放政权”,IEEE的诉讼,vol.85, 486 - 504年,1997页。
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- 质量研讨会上电子设计(ISQED.02), 502 - 507年,2002页。
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