关键字 |
| 库仑封锁，单电子隧穿，阈值逻辑门，隧道结。 |
介绍 |
| 单电子器件因其极低的功耗和超小的体积而备受关注。晶体管尺寸的不断减小和密度的相应增加促进了基于半导体的设计的改进。据推测，MOS技术将通过众所周知的结构几何尺度[2]继续发展几年。有报告指出，MOS晶体管不能缩小到一定限度以上。单电子技术是一种可能的后续技术，具有更大的扩展潜力。单电子隧道(Single Electron Tunneling, SET)技术是未来最有前途的技术，可以满足密度、性能的提高和功耗的降低[4,5]。SET电路的主要器件是隧道结，单个电子可以通过隧道结以受控的方式移动。隧道结的运行是基于库仑阻塞[6];电子隧穿到一个超小的导电岛被充电能量抑制。有许多关于使用金属、砷化镓和Si[7]的SET晶体管的报道。 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. |
| 本文首先简要讨论了单电子器件的基本物理性质。介绍了一些基于单电子器件的阈值逻辑门，如OR、AND和Buffer/NOT。描述、设计并实现了一种基于阈值逻辑门的单电子器件的化学过程控制单元。对所提出的控制单元进行了分析，并对结果进行了讨论。 |
基本物理 |
| 单电子器件的基本组成部分是隧道结。如图1所示，隧道结可以看作是由一层薄薄的绝缘材料隔开的两个导体。一个隧道结可以被认为是一个漏电电容器[8]，其特征是电容Cj和电阻Rj，每一个都取决于隧道结的物理尺寸和绝缘体的厚度。电子通过隧道结的输运称为隧穿。 |
| 电子被认为是一个接一个地隧穿隧道结[8,9]。即使只有一个电子穿隧也可能产生穿过隧道结的电位e/C(其中C为总电容，e = 1.602 × 10-19 C)。阈值电压是电子穿过隧道结所需的电压，称为临界电压(Vc)，由[8]给出: |
 (1) |
| 式(1)中，从隧道结的角度来看，Cj为结电容，Ce为剩余电路的等效电容。当且仅当隧道结两端的电压Vj大于等于Vc即Vc时，隧道事件才会发生，否则隧道事件无法发生。如果有Vc，电路将处于稳定状态。 |
| 阈值逻辑门 |
| 阈值逻辑门(TLG)是一种可以计算任何由[8]给出的线性可分布尔函数的器件。 |
 （2） |
| 和 |
 （3） |
| 式中为阈值，xi为第i个输入，wi为对应的整数权值。如果输入的加权和n i wi xi大于或等于门在输出处产生逻辑1;否则输出将为逻辑0。 |
| 图2(a)和图2(b)描述了n输入TLG的TLG门符号和结构。将输入电压Vp按其输入电容Cp加权加到Vj，将输入电压Vn按其输入电容Cn加权从Vj中减去。隧道结的临界电压Vc作为阈值，可由偏置电压Vb加权Cb来调节。电路的函数F(X)由式给出 |
 （4） |
 (5) |
| 这里描述的通用阈值门可以用来实现任何逻辑功能。为了防止负载效应以及保持正确的电压水平，在TLG(10)的输出端连接了SET缓冲器/逆变器。该缓冲器/逆变器电路如图3所示。 |
过程控制器的设计 |
| 为了便于讨论，图4显示了取自参考文献10的过程控制器的框图。温度和压强是输入变量。输出变量是对加热器、阀门和报警器的信号。 |
| 控制是通过打开或关闭加热器以及打开或关闭阀门来实现的。控制规则如下[10]: |
| 1.如果温度和压力在正常范围内，则关闭加热器并关闭阀门。 |
| 2.如果温度正常，关闭加热器。如果压力高于正常值，打开阀门，如果压力低于正常值，关闭阀门。 |
| 3.如果压力正常，关闭阀门。如果温度低于正常值，打开加热器，如果温度高于正常值，关闭加热器。 |
| 4.如果压力高于正常，温度低于正常，则打开阀门并关闭加热器。 |
| 5.如果温度高于正常值，压力低于正常值，则关闭加热器并关闭阀门。 |
| 6.如果温度和压力都高于或低于正常，敲响警报并关闭工厂。 |
| 温度和压力变量编码如表1，输出变量编码如表2。 |
| 待设计控制器的真值表如表3所示。 |
| 控制单元实现的逻辑表达式为H B.C, V C和R B.D，设计遵循传统的数字系统设计方案，该方案可在参考文献10中找到，因此此处不再详细介绍。在这里，我们感兴趣的是基于单电子阈值逻辑的控制器实现。过程控制器的逻辑电路如图5所示。 |
| 两输入与门和两输入或门的阈值方程可以写成 |
 （6） |
 (7） |
| 任何电路的电路参数都可能有变化。为了最大限度地提高参数值变化的鲁棒性，将阈值=I (I为整数)替换为区间的平均值(即=I -1/2)[8]，并将(6)和(7)写成 |
 （8） |
 （9） |
| 2输入与门和2输入或门具有相同的LTG结构，但它们将具有不同的电路参数值。2输入与或门的结构如下图所示。 |
| 当缓冲区连接时，我们需要相应地反转逻辑函数中的正负加权输入。缓冲双输入与或门的结构如图6所示。 |
| 缓冲门的阈值方程可写成 |
| Y = AND(a,b) = sgn{-a-b+1.5} (10) |
| Y = OR(a,b) = sgn{-a-b+0.5} (11) |
| 假设逻辑“0”=0 V，逻辑“1”=16mV, Rj=105欧姆，Cj=0.1aF，分别为式(4)、(5)、(10)中的双输入与门和式(4)、(5)、(11)中的或门设计电路参数值。表二给出了这些值。对于缓冲器/逆变器，电路参数值取自参考文献7。 |
结果与讨论 |
| 采用simmon[11]进行了仿真验证。基于单电子TLG的过程控制电路完整电路如图7所示。 |
| 仿真结果如图8所示。仿真中，A、B、C、D为输入变量;H V R是输出变量。仿真结果令人满意 |
结论 |
| 介绍了一种基于单电子阈值逻辑门的过程控制器控制单元的设计与仿真。设计了实现控制单元的完整电路，并用SIMON软件进行了仿真验证。控制单元的性能令人满意，从而建立了使用基于set的TLGs的未来更快的VLSI/ULSI电路的可行性。 |
表格一览 |
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数字一览 |
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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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参考文献 |
- K. Likharev，“单电子器件及其应用”，IEEE, vol.87, no。4页。606 - 632年,1999年。
- 王晓明，“纳米技术与纳米电子技术——材料、器件、测量技术”，《电子工程学报》，2006。
- Y.Tau、D.A.Buchanan W.Chen, D.Frank、K.Ismail S.Lo, G.Sai-Halasz, R.Viswanathan, H.Wann, S.Wind, H.Wong,“向纳米CMOS缩放政权,”进行的IEEE, vol.85, 486 - 504年,1997页。
- 纳米电子学的技术路线图，http://www.cordis.lu/esprit
- S. Cotofana, C. Lageweg, S. Vassilidis，“通过控制电荷传输的加法相关算术运算”，IEEE翻译。《计算机》，第54卷，第5期。3, 2005。
- 李海涛，“隧道的库仑阻塞和相干振荡”，J.利用方程5和6，流体温度，物理学报，62,345-372,1986。
- C. Lageweg, S. Cotofana和S. Vassilidis，“单电子编码锁存器和触发器”，IEEE翻译。纳米技术，vol. 3, no.22004。
- JialinMi;Chunhong陈;“利用单电子隧道技术实现有限状态机”，IEEE计算机学会“新兴VLSI技术与架构”年度研讨会，2006。
- C.Lageweg, S.Cotofana和S.Vassiliadis，“实现单电子编码逻辑网络的扇出能力”，第六届固态与集成电路技术国际会议(ICSICT)）， 2001年10月。
- V. Rajaraman和T. Radhakrishnan，“数字逻辑和计算机组织”，印度普伦提斯-哈尔，新德里，页78-81,2006。
- ChristophWasshuber，《单电子器件如何工作》。它是如何使用的。它是如何模拟的”，《IEEE国际学报》。
- 质量电子设计研讨会(ISQED.02)， pp. 502-507, 2002。
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