（电路与系统专业论文）基于单电子晶体管的逻辑电路设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 自集成电路问世以来，半导体集成电路集成度不断提高，使得传统微电子器 件的应用和发展将面临前所未有的阻碍。在不久的将来传统c m o s 技术将到达 其性能的极限，因此寻找一种能够继续缩小并且不受极限效应制约的新型器件结 构至关重要单电子晶体管不仅具有在纳米尺度出现的典型的量子效应，还具有 集成度高、功耗小、器件运行速度快等特点，有望成为新型集成化器件结构之一。 当前单电子晶体管的研究主要集中在单电子晶体管制备的研究，单电子晶体 管的仿真模型研究和基于单电子晶体管的电路设计研究。本文在深入分析了单电 子晶体管的电学特性和现有单电子晶体管电路设计不足之处的基础上，首先，通 过对单栅极s e t 背景电荷适当的设置，使之在特定电压区间内具有类似p m o s 或n m o s 的电学特性；引入传输电压开关理论，指导单栅极s e t 逻辑电路的开 关级设计。其次，本文利用双栅极s e t 具有电压电流异或的特性，实现了以四 个s e t 组成的电压电压异或电路；同时引入了r e e d m u l l e r 代数系统( 与异或 代数系统) ，指导s e t 电路的门级电路设计最后，利用对背景电荷的设置，实 现了耗尽型p s e t ；并将耗尽型p s e t 作为上拉电阻，替代了混合m o s s e t 结 构中的耗尽型n m o s ，构建了n s e t 逻辑门；利用n s e t 逻辑门设计了多种触 发器，同时分析了各种触发器的优缺点；并用维持阻塞型d 触发器进行了s e t 的时序电路设计。 经仿真表明文中所设计的电路不但具有正确的逻辑功能和良好的输入输出 电压兼容性，而且还具有功耗低、延迟小、结构简单的特点，这也进一步验证了 文中的各种电路设计方法的正确和实用。 关键字：单电子晶体管，传输电压开关理论，开关级设计，r e e d m u l l e r 代数系 统，触发器设计 n 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fc o n v e n t i o n a lm i c r o e l e e t r o n i cd e v i c ew i l lb ef a c e dg r e a t c h a l l e n g e s ，s u c ha se l e c t r o s t a t i cl i m i t s ，c a r d e rm o b i l i t ya n ds t a t i cl e a k a g e ，d u et ot h e r a p i d l yd e v e l o p m e n to ft h es c a l eo fi n t e g r a t e dc i r c u i ts i n c ei t sa d v e n t c o n v e n t i o n a l c m o st e c h n o l o g yi sp r e d i c t e dt or e a c hi t st e c h n o l o g i c a ll i m i t a t i o n ss h o r t l ya f t e r2 0 2 0 ， a n di n t e n s i v es t u d i e sa r eb e i n gc o n d u c t e di nt h ef i e l d so fd e v i c ef a b r i c a t i o nt of i n dt h e w a yt oo v e r c o m et h ei m p e n d i n gc r i s i s t h es i n g l e e l e c t r o nt r a n s i s t o r ( s e t ) i s e x p e c t e dt ob eap r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rt h ek e r n e ld e v i c ei nt h ef u t u r e ，b e c a u s eo fi t s u l t r as m a l ls i z e ，e x t r e m e l yl o wp o w e rd i s s i p a t i o n , a n ds i m i l a rd e v i c es t r u c t u r et oa m o s f e t r e c e n tr e s e a r c h e sa r ef o c u s e do nf a b r i c a t i o no fs e t ，m o d e l i n go fs e ta n dl o g i c c i r c u i t sd e s i g no fs e t b a s e do nt h ea n a l y s i so fi - vc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e - e l e c t r o n t r a n s i s t o ra n dp r o p o s e ds e tc i r c u i t s ，f i r s t l y ，s e tc i r c u i t sd e s i g nb a s e do nt h e o r yo f t r a n s m i s s i o nv o l t a g e - s w i t c h e si sp r o p o s e d w i t hs o m ep a r t i c u l a rs e t t i n g so nt h e b a c k g r o u n dc h a r g eo fs e t ，p m o s o rn m o sl i k es e ti sa v a i l a b l e ；m e a n w h i l e t h e o r yo ft r a n s m i s s i o nv o l t a g e s w i t c h e si si n t r o d u c e di n t os e tc i r c u i t sd e s i g na n d s e v e r a lb a s i cc i r c u i t sa r er e a l i z e db ys i n g l e e l e c t r o nt r a n s i s t o r s ；o nt h eb a s i so ft h e s e c i r c u i t s ，s o m et y p i c a lc i r c u i t sa r ep r e s e n t e d ；c o m p a r e d 谢t l lc o n v e n t i o n a ls t a t i c c o m p l e m e n t a r yl o g i c s e tc i r c u i t s ，t h ea m o u n to fd e v i c ei sr e d u c e d ，a n dp o w e r d i s s i p a t i o na n ds i g n a ld e l a ya r ed e c r e a s e d s e c o n d l y ，m u l t i g a t e s e tc i r c u i t sd e s i g n b a s e do nr e e d - m u l l e rt h e o r yi s p r o p o s e d b a s e d o nt h e - vc h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i g a t e s e t ，an e wx o r c i r c u i ti sr e a l i z e db yf o u rs e t so n l y ；t h e nr e e d m u l l e r t h e o r yi sl e a di n t os e tc i r c u i td e s i g nw h i c hi sp e r f e c t l yr e a l i z e dw i t hn e wx o r a n d a n dc i r c u i t s a tl a s t ，an e wt y p eo fn s e tl o g i ca r c h i t e c t u r ei s p r o p o s e da n d s e q u e n t i a lc i r c u i t sa r er e a l i z e d b ys e t t i n gt h ep a r a m e t e r so ft h es e t ，d e p l e t i o nm o d e p s e ti sp r o p o s e da n da p p l i e di nt h en s e tl o g i cc i r c u i ta sp u l l - u pr e s i s t o r ；s e v e r a l k i n d so ff l i p f l o pa r ed e s i g n e da n da n a l y z e d ；t h e ns o m et y p i c a ls e q u e n t i a lc i r c u i t sa r e p r e s e n t e dw i n le d g et r i g g i n gdf l i p - f l o p i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g ne x a m p l e sa r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o n sw i t has p i c ep a c k a g ew h i c h i n c l u d e dt h es e t s p i c em o d e l i ti ss h o w nt h a tt h e s em e t h o da n dl o g i cc i r c u i t s a r c h i t e c t u r ei sf e a s i b l e ，a n dt h ec i r c u i t sa r eo fh i g hq u a l i t yc o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n t e i r c u i t s k e y w o r d s ：s e t ，t h e o r y o ft r a n s m i s s i o nv o l t a g e s w i t c h e s ，c i r c u i t sd e s i g n a t s w i t c h - l e v e l ，r e e d m u l l e rt h e o r y ，f l i p f l o p i v 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 首先，向我的导师章专副教授致以衷心的感谢。在攻读硕士研究生期间，章 老师给了我很多帮助和指导。本论文的全部工作都是在章老师的悉心指导下完成 的。从论文的选题，到研究工作的实施，以及论文最终的完成，无不倾注着章老 师的心血和汗水。章老师严谨的学术作风、认真的处事态度、和蔼的待人之道、 求是的创新精神给我留下了深刻的印象，对我今后的工作和生活都具有很强的指 导意义 衷心感谢研究所里所有的老师在研究生期间对我的指导与帮助。 感谢实验室的师兄、师弟师妹，与你们共同学习、相互鼓励，给我留下了很 多美好的回忆。 感谢马文强同学在研究生期间对我学习、生活的帮助。两年多来我们一起“科 研，好好地玩，放下该放下的”，使得研究生生活丰富多彩。 感谢我的父母及家人，是你们的鼓励和支持给了我战胜一切困难的信心和勇 气。希望你们能够健康、快乐。 申屠粟民 2 0 1 1 年5 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1c m o s 器件尺寸的极限和新型纳米器件研究的进展 1 1 1c m o s 器件尺寸的极限 第1 章绪论 微电子技术是是二十世纪发展起来的新兴高科技产业之一，也是当代发展最 快的技术之一，是二十一世纪人类进入信息化社会的前提和基础。微电子技术无 论是从发展速度还是对人类社会生产和生活的影响，都可以说是科学技术史上空 前的。五十多年来，为了提高电子集成系统的性能，器件的特征尺寸不断的缩小， 制作工艺的加工精度不断提高。早在1 9 6 5 年，i n t e l 公司创始人之一的戈登摩尔 博士就曾预测，集成电路的集成度每1 8 个月增加一倍，性能也提升一倍，这就 是著名的摩尔定律【1 1 。权威的国际半导体技术蓝图( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g y r o a d m a po f s e m i c o n d u c t o r s ，i t r s 2 0 0 9 ) 【2 】给出了短期与长期的集成电路工艺 技术发展趋势，如表1 1 1 和表1 1 2 所示。 表1 1 1 集成电路短期工艺技术发展趋势 年度 2 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 52 0 1 6 f l a s h 特征尺寸( r i m ) 3 83 22 82 52 32 01 81 5 9 d r a m 特征尺寸( r i m ) 5 24 5 4 0 3 6 3 22 8 2 52 2 5 m p u a s i c 特征尺寸( n m ) 5 44 53 8 3 2 2 7 2 4 2 11 8 9 m p u 栅长( r i m ) 2 92 72 42 22 01 81 71 5 3 表1 1 2 集成电路长期工艺技术发展趋势 年度 2 0 1 72 0 1 82 0 1 92 0 2 02 0 2 l2 0 2 22 0 2 32 0 2 4 f l a s h 特征尺寸( r i m ) 1 4 21 2 61 1 31 0 08 98 o7 16 3 d r a m 特征尺寸( n m ) 2 0 01 7 91 5 91 4 21 2 6l1 31 0 08 9 m p u a s i c 特征尺寸( 啪) 1 6 9 1 5 0 1 3 41 1 91 0 69 5 8 4 7 5 m p u 栅长( r i m ) 1 4 01 2 81 1 71 0 79 7 8 9 8 17 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 集成电路一直向着速度更快、规模更大、集成度更高的方向不断发展。然而， 从表1 1 2 中可以看出，各种工艺的特征尺寸最终将达到1 0 n m 以下，此时，集 成电路将面临短沟道效应、强场效应、薄氧化层的隧穿效应、沟道杂质原子无序 涨落效应等诸多问题【3 羽。 短沟道效应：随着m o s 器件沟道长度的缩短，器件的阈值电压玢与沟道长 度的关联度将加强，需改进器件沟道结构以抑制短沟道效应。 强场效应：器件尺寸缩小，而电源电压却无法等比例缩小，使得栅绝缘介质 和沟道内场强不断加强，器件穿通和热电子等方面将产生可靠性问题。 薄氧化层的隧穿效应：在特征尺寸缩小到0 1 微米以后为维持足够的栅控能 力，将进一步减小氧化层的厚度，使得电子在氧化层中的隧穿率大大增加，导致 栅漏电流也增大。 沟道杂质原子无序涨落效应- 沟道长度减小到0 1 0 0 5 微米，沟道中的电离 杂质数目下降到几十个，此时其涨落现象已不可忽略。沟道内载流子在1 0 0 量级 的情况下，涨落引起的载流子数目变化将达到1 0 左右，并使得器件的阈值电压 产生相应的波动，从而影响电路正常工作。 如上所述，传统c m o s 技术在2 0 2 0 年前后将到达其性能的极限【5 1 。在这个 背景下，以美国为主的半导体工业界和美国基金会合作发起了纳米电子学研究计 划，旨在支持可能出现的c m o s 替代技术，并希望能够尽快地知道下一步去推 动哪种有希望的技术。 1 1 2 新型纳米尺寸器件 2 0 0 7 年发布的国际半导体技术蓝图【6 】评价出了单电子晶体管、分子电子 器件、共振隧穿器件和自旋晶体管器件等几类未来最具发展潜力的新兴纳米尺寸 器件；2 0 0 9 年i t r s 又深入报道了这些器件的最新研究情况。 单电子晶体( s i n g l e e l e c t r o nt r a n s i s t o r ，s e t ) ：基于库仑阻塞和相移特性原 理，具有器件尺寸小、功耗低等特性；目前已经制备出在室温下工作，并且可与 当前硅微加工工艺相兼容的单电子器件。 共振隧穿器件( r e s o n a n tt u n n e l i n gd e v i c e ，r t d ) ：基于共振隧穿效应原理， 利用少量的器件以完成复杂的逻辑功能，具有高速度、低功耗特性；目前此技术 2 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 尚不成熟，存在成本高、稳定性差等问题。 分子电子器件：分子电子器件，该器件具有速度快、功耗极低、成本低等特 性；目前分子电子器件处于理论研究阶段，用分子电子器件组成实用电路还有很 长的路要走，其中单分子的互连是有待研究的主要问题之一 自旋电子器件：既可以利用载流子电荷量，也可以利用电子的自旋；基于电 子自旋的方向和耦合，可实现在极低功耗下具有很高速度的器件；磁性随机内存 ( m r a m ) 是一种已经实现的自旋电子器件，它具有抗辐射、高密度、非挥发性等 优点；随着对电子自旋控制技术的发展，可开发出各种新型器件。 这些新兴的纳米尺寸器件大都利用了在纳米尺度出现的量子效应7 】【8 】，并且 具有集成度高、功耗小、器件运行速度快以及功能新颖等特点。而在短时间内新 工艺难以完全取代传统硅基c m o s 技术。单电子晶体管不仅具有新型器件的特 点，并且与c m o s 制备技术相兼容。此外单电子晶体管与传统m o s 器件具有良 好的互补性，c m o s 具有高驱动性和高电压增益的优点，可以弥补单电子晶体管 的固有缺点，并且与现有的电路兼容。混合m o s s e t 结构还可以产生纯c m o s 工艺很难实现的多值逻辑和负微分电阻功能。因此，单电子晶体管的研究成为国 际上研究的前沿课题。 1 2 单电子晶体管的发展现状 早在1 9 5 1 年，g o r t e rc 首先发现了库仑排斥现象【9 】。但直到2 0 世纪8 0 年代 开始，单电子学才开始迅猛的发展，其中具有代表性的是a v e r i nd 、l i k h a r e vk 和z o r i n a 等发表的对单电子学具有普遍意义的单电子正统理论【1 0 】【l l 】，该理论能 定量地描述单电子库仑阻塞效应和库仑振荡效应。f u l t o n t 和d o l a ng 采用掩膜 技术加工出了第一个单电子晶体管，成功观测到了库仑阻塞现象，证明了这种单 电子效应能够由外加栅电压进行周期性调制1 2 1 。进入1 9 9 0 年代和2 1 世纪初之 后，单电子学的研究主要从以下几个方向展开： ( 1 ) 单电子晶体管制备的研究。 由传统的金属基研究扩展到硅基、高温超导基、分子基等领域的研究。早期 常用的研究方法是利用金属颗粒薄膜与金属电极的重叠和双影蒸发工艺 ( d o u b l e a n g l ee v a p o r a t i o n ) 。19 9 4 年，t a k a h a s h iy 等人用p a d o x 方法在s o i 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 上首次制备了单电子晶体管【玷1 ；i s h i b a s h i k 等人分别利用单壁和多壁碳纳米管作 为有源区制备了单电子晶体管及单电子倒相器；y a n ok 等人加工出了被认为 是非常有应用前景的室温单电子存储单元【1 5 1 ； s h i r a k a s h ij 等人成功的研制了 n b 单电子晶体管等1 6 1 。此外u c h i d ak 、 i n o k a w ah 和o n oy 等人【1 7 j9 】也做了 很多相关的研究，并且取得了较好的成果。 ( 2 ) 单电子晶体管仿真模型的研究。 仿真模型从理论上可分为主方程法、蒙特卡洛法、基因算法1 2 0 和宏模型法f 2 1 】 【2 2 】。国内外有很多学者研究了多种基于不同理论的仿真模型。w a s s h u b e r c 开发 了s i m o n 软件【2 3 1 ，能精确模拟各种单电子结构，但却不能与现有的电路进行混 合模拟；m a h a p a t r as 等人提出了m i b 模型【2 4 1 ，能够- 9m o s 进行混合仿真；u c h i d a k 提出了u c h i d a 精简分析模型，能在高温下精确的模拟单电子晶体管的特性， 但仅能模拟对称结构【2 5 1 ；蒋建飞教授等人移植和开发了多种单电子晶体管和电 路模拟器，包括基于蒙特卡洛的模拟器s j t u - n a n o s e d c m c l 0 2 6 】【2 7 】，基于主 方程法的模拟器s j t u - n a n o s e d c m e 2 8 1 和 s p i c e模拟器 s j t u - n a n o s e s p i c e 2 睨9 1 ；l i n t s c h n i gg 提出了s e t s p i c e 模型，既可以进行 单电子晶体管的独立仿真又能与m o s 器件混合仿真，具有良好的仿真精度与速 度【3 0 】，在单电子晶体管研究领域被广泛应用，国内卢刚博士等人还用a v e r i l o g 重新改写了该模型的源代码，也取得了较好的结果【3 1 1 。 ( 3 ) 基于单电子晶体管的电路设计的研究。 国内外有很多基于单电子晶体管的电路设计方案被提出，其中一些已经得到 实验的验证，有些经过软件仿真验证，也有些限于加工条件限制或者其他原因， 仍处于理论研究阶段。m a h a p a t r as 等人设计了多种混合m o s s e t 电路 3 2 - 3 5 】，具 有多值特性和负微分电阻特性；o n o y 提出了基于传输逻辑的电路设计【3 6 。8 1 ，该 电路利用单电子晶体管的多栅控制库仑振荡相位的特性，实现电路的逻辑功能； 国内的方粮教授等人设计了可重构单电子晶体管逻辑电路【3 9 1 ，可以通过对栅极 的设置，实现不同的逻辑门功能；蔡理教授等人，设计了多种纯单电子晶体管电 路和混合m o s s e t 电叫4 3 1 ，并经过仿真验证。 除了以上所讨论研究以外，国内还有很多单位展开了单电子器件的研究，北 京大学研制出了碳纳米管基单电子器件m ，中国科学院物理研究所【4 5 】【侧和西安 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 理工大学【4 7 1 研制出的硅基单电子晶体管在室温下观察到了单电子现象。此外还 有湖南大学【4 8 】m 和国防科技大学【5 0 l 也有相关的研究。总体而言，单电子晶体管 的制备与仿真的研究取得了较大的成果，而在单电子晶体管电路设计方面多集中 在混合m o s s e t 结构设计和单电子晶体管的互补结构设计，而在单电子晶体管 开关级电路设计和多栅极s e t 电路设计鲜有涉及。 1 3 论文主要工作及论文结构安排 单电子晶体管是未来替代m o s 器件的有力竞争者，基于单电子晶体管的电 路设计又是单电子晶体管研究领域的热点之一。本文的主要工作是：第一，深入 分析单电子晶体管的电学特性，利用库仑振荡和相移特性，使之具有类似p m o s 或n m o s 的特性；引入传输电压开关理论，指导单栅极单电子晶体管的开关级 电路设计，并通过p s p i c e 软件仿真验证。第二，利用单电子晶体管的多栅特性， 设计精简的双栅极s e t 异或门；引入r e e d m u l l e r 理论，利用与异或代数系统设 计电路并通过p s p i e e 仿真验证，分析电路的功耗以及延迟。第三，通过对单电 子晶体管的参数设置，使之具有类似耗尽型p m o s 的电学特性；利用该单电子 晶体管设计结构简单的n s e t 门电路；基于该门电路，设计触发器和时序电路， 通过p s i p c e 仿真验证，并进行性能分析。 本文的结构安排： 第一章，绪论。首先对集成电路的发展瓶颈和可能的解决方案进行阐述，然 后介绍单电子晶体管的发展现状和各个研究领域的成果，并阐明了本文的研究意 义和主要内容。 第二章，介绍单电子晶体管的结构、原理和电学特性，并分析本文所采用的 单电子晶体管仿真模型。 第三章，采用单栅极s e t 的开关级电路设计。在分析现有的互补结构的单 电子晶体管电路的基础上，引入传输电压开关理论，提出基于单电子晶体管的开 关级电路设计，并与传统的电路进行性能比较。 第四章，采用双栅极s e t 和r e e d m u l l e r 代数系统的电路设计。利用双栅级 单电子晶体管的电流异或功能，设计精简的电压电压异或电路，并进行基于 r e e d m u l l e r 代数系统的单电子晶体管电路设计与性能分析。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 第五章，基于s e t 的时序电路设计实现具有类似耗尽型p m o s 的单电子 晶体管，以此为基础构建n s e t 逻辑门电路，并设计多种时序电路，最后通过 p s p i c e 验证分析。 第六章，对本文所作的研究工作进行总结，并提出进一步的研究方向。 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章单电子晶体管原理分析 第2 章单电子晶体管原理分析 基于单电子正统理论，本章对隧穿效应与库仑阻塞效应、s e t 的结构、原理 和特性进行分析，并阐述本文所采用的l i e n t s c h n i gs e t - s p i c e 模型。 2 1 隧穿效应与库仑阻塞效应 传统的晶体管工作时是1 0 6 以上个电子的移动，而单电子晶体管工作时仅是 一个电子的运动。在漏极与源极之间，电子是一个一个地通过的，即电荷是量子 化的。介绍单电子晶体管工作原理的文章有很多，虽然方法不尽相同，但是其物 理基础都是单电子隧穿效应与库仑阻塞效应 5 1 - 5 3 】，这也是单电子器件一种特有的 量子效应。 图2 1 1 ( a ) 所示为隧道结结构示意图，图2 1 1 ( b ) 所示为隧道结电路符号。该 隧道结由薄绝缘层隔开的两块金属导体( 也可以为半导体、超导体以及其他材料， 本文为了论述方便，以金属基为例作介绍) 组成。纳米隧道结的绝缘层很薄，只 有几个纳米的宽度。根据量子力学原理，当势垒小于电子的量子力学波长时，电 子可以以一定的几率隧穿过中间的势垒，这种现象称为单电子隧穿效应。流经隧 穿结的隧穿电流是离散电子的随机隧穿的结果，单位时间内通过隧穿结的电子数 称为电子的隧穿率r 隧道结可以等效为一个隧道结电阻r r 和结电容c 并联， 如图2 1 1 ( c ) 所示。当一个电子隧穿之后，极板上的电荷改变e ，结两边电压改变 矿= e c ，静电能增加衄= e 2 2 c 。 么k 绝 名k 直 缘 立 属属 层 刃 o (a)(b)( c ) 图2 1 1 ( a ) 隧道结结构图，( b ) 隧道结示意图，( c ) 隧道结电路等效图 7 浙江大学硕士学位论文第2 章单电子晶体管原理分析 库仑阻塞效应是介观领域所发现的重要的物理现象之一。利用现代微细加工 技术可以制备处于两个隧道结之间的孤岛，即库仑岛( 量子点) ，如图2 1 2 所示。 库仑岛的体积很小，隧道结电容c 只有a f ( 1 0 。1 8 ) 级别。当库仑岛上增加一个电子 将导致其库仑能增加世= e 2 2 c ，超过电子热涨落能量b 死b 为玻尔兹曼常数， 丁为绝对温度) 。因此当一个电子隧穿进库仑岛时，引起库仑岛相当大的电势变 化，以至下个电子难以到达，这就阻碍了下一个电子的进入，只有当外加电压 i v l e c 时，下一个电子才能从隧穿结的一端隧穿到另一端。也就是说，当 一e c k b t 。 ( 2 )满足隧道结的结电阻远大于量子电阻( 约2 6 艘) ，以避免由于量子扰 动引起的波动。 2 2 s e t 的结构、原理 2 2 1s e t 的结构 文献 5 4 - 5 6 对单电子晶体管的结构和原理进行了详细的阐述。在图2 1 2 所 示的库仑岛示意图的基础上，如果采用电容耦合的方式在库仑岛处外加一个栅 浙江大学硕士学位论文第2 章单电子晶体管原理分析 极，并通过栅极控制库仑岛上电子的化学势能，这就成了单电子晶体管，如图 2 2 1 所示。 图2 2 1 单电子晶体管示意图 t 蠢r c e k 单电子晶体管( s e t ) 由源极、漏极、与源漏极耦合的库仑岛、两个隧穿结以 及用来调节量子岛化学势的栅极组成。如果不考虑背栅的情况，从宏观来看，s e t 可以等效为一个三端元件。与m o s 管一样，s e t 的漏源电流也是通过栅极的 偏置控制的，即通过栅压的改变，来控制电子的隧穿与阻塞。 2 2 2s e t 的原理 在图2 2 1 所示的s e t 中，系统的总电容为c = c l + c 2 + c g ，其中c l 、c 2 为隧 穿结电容，c ：为栅极电容。库仑岛内的电荷9 的静电能e 为： e = 一q c + q 2 2 c ( 2 2 1 ) 上式中- q c g 为带正电的栅极与岛内负电荷之间的吸引能，q 2 2 c 为岛内电 荷的排斥能。假设q o = c ( q o 疋一v , 引入的背景极化电荷，所以可以连续变化) ， 并代入式2 2 1 中，可改写为： e = ( 9 一o o ) 2 2 c( 2 2 2 ) 通过k 的改变，选择适当的q o ，使得总能量e 最小。由于岛内的电荷q 是离 散的，即只能取p ( 元电荷) 的整数倍，对于给定的q 0 ，库仑岛总能量e 只能取 分立的数值。当栅压名使得q o = n e ，并且当q = n e 时，能量e 取得最小值。若 此时在库仑岛中增加一个电子，则总能量e 将会增加e 2 2 c ，出现库仓阻塞现象， 9 浙江大学硕士学位论文第2 章单电子晶体管原理分析 即单电子晶体管截止。当栅压圪使得q = ( n + l 2 ) e 时，q = n e 与q = ( n + 1 ) e 的 最小能量是相同的，态密度消失，出现单电子隧穿效应，即单电子晶体管导通。 因此在低温下，固定漏源电压( 一般l 吃j k 丁。 ( 2 )满足隧道结的结电阻远大于量子电阻( 2 6 k q ) ，以避免由于量子扰动 引起的的波动。 ( 3 ) 漏源偏置电压小于p q ，否则库仑阻塞效应将消失，单电子晶体管开 关作用无法实现。 2 4 本章小结 单电子晶体管是未来替代m o s 器件的有力竟争者，成为研究的热点之一。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章单电子晶体管原理分析 本章以单电子领域具有普遍意义的正统理论为基础，从单电子隧穿效应和库仑阻 塞效应入手，阐述了单电子晶体管的结构、原理和特性，同时也分析了单电子晶 体管的正常工作的适用范围。简要分析了l i e n t s c h n i g 的s e t - s p i c e 模型， 并用该模型对单电子晶体管的电学性质进行了仿真，验证了单电子晶体管的主要 特性。 浙江大学硕士学位论文第3 章基于传输电压开关理论的单栅极s e t 电路设计 第3 章采用单栅极s e t 的开关级电路设计 单电子晶体管与m o s 管具有诸多相似的地方，现有的很多文献提出了多种 基于单电子晶体管的电路设计f 3 2 4 2 1 。在纯单电子晶体管电路设计方面，学者们都 集中在对称互补结构电路设计 5 7 - 5 9 】。然而，采用传输电压开关理论设计的c m o s 电路，与传统理论设计的电路相比，具有较简单的结构。本章在深入分析单电子 晶体管电学特性的基础上，将利用库仑振荡和相移特性，通过对单电子晶体管背 景电荷的设置，使之在特定电压区间内具有类似p m o s 或n m o s 的电学特性； 引入传输电压开关理论，指导单栅极s e t 的开关级电路设计，并通过p s p i c e 软 件对所设计的电路进行验证与分析。 3 1p s e t 与n s e t 在上一章中介绍了单电子晶体管的库伦振荡和库仑台阶两个基本效应，并用 l i e n t s c h n i g 模型对s e t 做了简单的仿真，对s e t 的厶矿特性有了直观的了 解。单电子晶体管还有另外一个非常重要的特性，即相移特性。在不同的背景电 荷状态下，s e t 的漏源电流的周期保持不变，而相位相应地改变，如图3 1 1 所 示。 d r a i n s o u r c e 0 0 = 0 1 5q 0 = 00 0 p 一0 1 5 v g d m v 图3 i 1 不同背景电荷下1 v 特性曲线 其中漏源偏置电压圪f 2 0 m y ，s e t 参数为c l = c 2 = 1 卵，c 暑= 2 卵，c o = o ， r l = 足= 1 0 5 q ，仿真温度t = 4 2 k 。当a o 0 时，- y 特性曲线左移；当q o 0 5 ) 、 ( 3 2 1 ) lf( i fx y ，x y 和x = y 。 通过卡诺图可以将一位比较器的表达式写成： 巳j ，= z 木y o 5 存o 宰o j y e y 和c q 可分别由5 个s e t 实现。只。y 实际上是一个同或运算，在c ，y 和 c 。y 电路的实现中已经产生了x 和y 信号，所以同或门的结构可减少到4 个s e t 。 具体电路如图3 3 4 所示。 ( 5 ) 2 选l 数据选择器 根据数据选择器的逻辑功能，其函数的开关级表示为： 肌娥= x 幸o 5 s # y * s o 5 ( 3 3 7 ) 其中s 为选择子，具体电路实现如图3 3 5 所示。 图3 3 52 选i 数据选择器 传统的利用与非门结构设计的2 选1 数据选择器需要3 个与非门，一个非门， 而且三级级联，共1 4 个s e t 。根据开关级设计的电路非常简单，只需6 个s e t 。 利用相同的方法可以实现4 选l 选择器，函数的开关级表示为： 2 4 浙江大学硕士学位论文第3 章基于传输电压开关理论的单栅极s e t 电路设计 m 缎4 = 五幸矿s 2 0 5 群而幸o 5 s 2 橇幸o - 5 岛s 2 0 。5 # x 4 o 。5 置o s 2 = ( _ q o 5 群b 幸o 5 岛) 幸s 2 0 5 拌( 而幸# x 4 事o 5 s 1 ) 幸o 5 屯 其电路的实现只需1 6 个管子，两级级联。 3 4 电路仿真及分析 ( 3 3 8 ) 上节设计了几种典型的电路，本节利用p s p i c e 软件，使用l i e n t s c h n i g 模型对第三节中设计的电路进行仿真。p s e t 与n s e t 的参数与本章第一节中的 反相器相同；电源电压3 0 m v , 输入信号高低电压分别为3 0 m v 和o m v ，频率 2 5 m 磁；输出电容3 0 0 a f ，仿真温度4 2 k 。图3 4