СХЕМОТЕХНІКА КВАНТОВИХ АВТОМАТІВ

Цифрові та логічні наносхеми, побудовані на базі квантових (коміркових, клітинних або граткових) автоматів, складаються із взаємодіючих квантових точок або кулонівських острівці, розташованих у комірках. Тому їх звуть квантовими, або кулонівськими автоматами (КА).

Визначальною властивістю цього класу приладів є гуртова поведінка комірок. Стан та функції , які реалізує комірка , залежать не тільки від зовнішніх керуючих сигналів , а й електричного впливу оточуючих комірок , тобто:

на відміну від приладів з індивідуальною поведінкою:

Зазначені властивості обумовлюють переваги перших структур з КА над останніми, а саме: зменшення об’єму пам'яті функціональної комірки до мінімально припустимого (1 біт) та незалежність цього об'єму від числа напрямів передачі сигналів, більш висока структурна надійність, а також використання ефективних засобів налаштування, характерних для цього класу коміркових автоматів.

6.1. Формування та передача логічних сигналів у квантових автоматах

Квантові точки чи кулонівські острівці повинні бути власними напівпровідниками, тобто не мати вільних електронів провідності. У випадку металічних точок/острівців сигнал у лінійній послідовності КА вже згасає до четвертої комірки. Через напівпровідникові точки/острівці сигнал поширюється без згасання. Логічний стан комірки 0/1 визначається за розподілом електронів у вузлових точках або острівцях. Формують квантові точки за допомогою електронної літографії.

На рис.6.1 показана комірка розміром (50×50) нм з чотирма достатньо близько розміщеними квантовими точками. З цих точок електрони можуть здійснювати тунельні переходи по чотирьом кутовим позиціям при подачі вхідної (керуючої) напруги і/або під впливом електричних полів оточуючих комірок.

Рис.6.1. Комірка квантового автомату

Електростатична енергія, яка накопичена в структурі КА

(6.1)

буде мати мінімальне значення тільки тоді, коли два електрони (n=2) знаходяться в діагональних квантових точках. В рівнянні (6.1) Q та C_∑ - величина заряду та загальна ємність рівноцінних квантових точок.

Через кулонівське відштовхування, яке спостерігається при T = 2мK, два електрони в КА можуть знаходитись тільки у двох стабільних станах, які зображено на рис.6.2: логічної одиниці(а) та логічного нуля(б).

Рис.6.2. Діагональне розміщення електронів на квантових точках в КА, які відповідають логічній одиниці (а) та нулю (б)

На рис.6.2 і далі не показані тунельні переходи, проте вони реально існують і через них змінюється стан КА. Обидва стани є рівноймовірними. Тому під дією вхідної напруги чи електростатичної взаємодії між сусідніми КА можливо перемикання станів одного КА і передача дискретної інформації у послідовно розміщених КА за принципом доміно. Сусідні КА підтримують один і той же стан електричної поляризації. Отже для кожного КА слід аналізувати його електричний стан з урахуванням оточуючих його з чотирьох сторін сусідніх КА.

На рис.6.3 побудовані різні конфігурації ліній передачі дискретної інформації на КА та графи їх з'єднувальних функцій. Ці КА поєднуються між собою конденсаторами, які для спрощення теж не наведені на цих схемах.

Передача логічної одиниці у першій лінії (рис.6.3, а) відбувається від джерела сигналу та за рахунок подальшого кулонівського одностороннього проштовхування електронів у сусідніх комірках. Тому логічна одиниця передається від комірки до комірки без перешкод з мінімальними втратами енергії.

Аналогічно на рис.6.3, б у місці відгалуження стан логічного нуля повторюється під дією поляризаційного впливу другої комірки зліва на сусідню справа, а та, в свою чергу, передає свій стан нагору до і праворуч до .

Рис.6.3. Монтаж ліній передачі дискретної інформації на квантових автоматах: зі зміною напрямку донизу на 90° (а), з відгалуженням (б) та двошаровий перетин ліній (в)

Для перетину двох контактних ліній передачі інформації (рис.6.3, в) створюють додаткову горизонтальну паралельну лінію КА на якій квантові точки розміщені на середині кожної сторони комірки. Через кулонівське відштовхування кожний автомат в цій лінії має протилежну поляризацію по відношенню до сусіднього. Сигнал зі входу передається по додатковій лінії, не втрачається у місці компланарного перетину та формується в аналогічний стан на виході .

За допомогою розглянутих з’єднувальних ліній конструюють різноманітні схеми на квантових автоматах.