Схемотехніка двоканальних наноприладів

Зазвичай, схеми на двоканальних наноприладах моделюються графами переходів, які створюють дерева розв’язків, та дискретними функціями булевої алгебри.

8.1. Структура деревоподібних графів переходів

Дерево розв’язків (рис. 8.1) характеризується рядом параметрів.

Рис.8.1. Бінарне дерево розв’язків (Лінійний бінарний граф-ЛБГ)

До цих параметрів належать наступні:

1. Розмір або кількість вузлів з’єднань (15).

2. Глибина або кількість рівнів дерева (3).

3. Ширина або максимальна кількість вузлів на одному рівні (8).

4. Площа (3*8=24).

5. Внутрішні вузли-кільця (7).

6. Зовнішні вузли-квадрати (8).

Використовуючи дерева розв’язків, будують графи дискретних функцій за такими правилами:

1. Кожний вузол аргументу має два з’єднання (1 або 0) з вузлами наступних елементів … .

2. Існує два залишкових вузли із значеннями 0 та 1, які може приймати функція декількох аргументів.

3. Кожне присвоєння числового бінарного значення аргументам x визначає єдину траєкторію пересування від вершини графа до одного з вихідних вузлів, що показує величину функції для заданих аргументів.

Рис.8.2 ілюструє результат побудови графа переходів з дерева розв’язків (рис.8.1) для наступної функції трьох аргументів:

(8.1)

Рис.8.2. Спрощений граф переходів функції трьох аргументів (8.1), отриманий з дерева розв’язків на рис. 8.1

З графа на рис.8.2 та рівняння (8.1) виходить, що при , незалежно від значення , отримуємо . Подібним чином при ; та величина функції визначається величиною , тобто в цих випадках.

Отже при визначених аргументах існує єдиний шлях від коріння дерева розв’язків до одного з вихідних виводів, який вказує на числове значення функції.

8.2. Двоканальні одноелектронні наноприлади

Двоканальний одноелектронний транзистор (2ОЕТ) здійснює функції зв’язків для дерева розв’язків (рис.8.1) та графів переходів (рис.8.2). Як показано на рис.8.3, а він має один виток (верхівку), по два стоки та вхідні затвори і один електрод для подачі імпульсів синхронізації.

Рис.8.3. Двоканальний ОЕТ(а) та його графічне позначення (б)

2ОЕТ має чотири однотипних тунельних попарнопаралельних переходи з ємностями та опорами , а також три вхідні ємності Прилад функціонує при температурі Імпульси синхронізації забезпечують одночасне виконання операції в схемах на 2ОЕТ.

Від джерела інжекції електрони досягають витоку, а потім балістично переміщуються через тунельний перехід до того кулонівського острівця, на якому під дією позитивного вхідного сигналу логічної одиниці подолано кулонівську блокаду. Якщо, наприклад, до першого затвору подано позитивну напругу , то це означає, що на першому вході діє логічна одиниця і острівець КО1 може накопичувати електрони. Одночасно на другому затворі діє , тобто . На другому острівці КО2 здійснюється кулонівська блокада. Тому до першого стоку за рахунок сил кулонівського відштовхування тунелюють електрони і формують сигнал логічної одиниці, а на другому – нуля.

Інша можлива спрощена конструкція двоканального наноприладу з двома тунельними переходами наведена на рис.8.4, а.

Рис.8.4. Двоканальний наноприлад з тунельними переходами (а) та його графічне позначення (б)

Сигнали та двох вхідних затворів керують тунелюванням електронів через переходи. Якщо , то електрони тунелюють від одиночного виводу «1» до вузла із заземленим конденсатором , і, навпаки, при – від «0» до того ж вузла.

Ємності переходів та опори в провідному стані та 10ГOм у закритому, ємність . Керуючі напруги на затворах становлять і .

Розглянуті прилади фактично виконують функції демультиплексора 1→2 (рис.8.3, а) і мультиплексора 2→1 (рис.8.4, а) з адресними входами двох затворів та .

8.3. Наносхеми на двоканальних одноелектронних приладах

Принципи створення наносхем на 2ОЕТ вимагають синхронізації переходу електронів від одного наноприладу до наступного (рис.8.5).

Рис.8.5. Каскадна наносхема з’єднання двоканальних ОЕТ

Ця схема забезпечує перехід електронів, відмічених пунктирною лінію, при реалізації функції для наступних значень трьох аргументів , та . Сигнал синхронізації затриманий на один період виконання тунельних переходів у транзисторах. Отже, для цієї послідовності трьох аргументів сигнали синхронізації приймають значення: , та .

Для однонаправленої передачі інформації у схемах на 2ОЕТ зазвичай використовується 3-фазне керування, як, наприклад, було показано на рис.5.17, б. Узагальнена блок-схема пристрою на 2ОЕТ приведена на рис.8.6.

Рис.8.6. Блок-схема на двоканальних одноелектронних транзисторах

На рис.8.7 побудований граф схеми, яка здійснює логічну функцію додавання чотирьох аргументів:

(8.2)

Рис.8.7. Граф схеми (а), електрична наносхема (б) та таблиця дійсності ( – довільне бінарне значення аргументів) для реалізації функції додавання (8.2)

На електронній наносхемі (рис.8.7, б) виділений лише один 2ОЕТ, який комутує значення першого аргументу . Для спрощення тут і надалі не показані кола синхронізації. Подібну структуру мають наступні схемні елементи , та .

Рис.8.8 ілюструє інші граф та логічну схему виконання функції:

(8.3)

Рис.8.8. Граф схеми (а), електрична наносхема (б) та таблиця дійсності функції чотирьох аргументів (8.3)

У тому, що наносхема (рис. 8.8, а, б) здійснює функцію (8.3) можливо переконатись безпосередньою перевіркою. Наприклад, з’єднання функціонального входу з виходом «1» можливе для наступних комбінацій керуючих сигналів чи і т.д. за таблицею дійсності (рис.8.8, в).

Наступна схема (рис. 8.9) реалізує функцію дворозрядного суматора з переносом у старший розряд:

(8.4)

Рис.8.9. Дворозрядний суматор на 2ОЕТ: умовне позначення (а, б) та електрично-логічна наносхема (в)

Двоканальні прилади з двома тунельними переходами (рис.8.4, а) частіше використовуються у наносхемах, які здійснюють подвійні, потрійні і т.д. функції. На рис.8.10 показаний приклад проектування схеми, яка виконує подвійну функцію двох аргументів:

(8.5)

(8.6)

Рис.8.10. Схеми (а, б, в) для здійснення подвійних функцій (8.5) та (8.6), її електрична реалізація (г) і таблиця дійсності (д)

Інжектором електронів в цій схемі є джерело . Напруги (±3,5 мВ) вхідних сигналів , , , подають на відповідні затвори і керують тунелюванням електронів до відповідних виходів та . Некерований додатковий перехід стабілізує роботу схеми.

На рис.8.11 наведені результати моделювання діаграм виконання логічних операцій (8.5) та (8.6).

Рис.8.11. Моделювання електричних ( , ) та електронних ( , ) діаграм виконання функцій (8.5) і (8.6)

На двох нижніх осцилограмах показана кількість електронів та , яка доходить до виводів та в результаті здійснення цих логічних операцій.

Таким чином, двоканальні одноелектронні прилади, маючи регулярну структуру, дозволяють суттєво скорочувати витрати на автоматизоване проектування схем наноелектроніка за допомогою теорії деревоподібних графів. Однак ці схеми мають відносно складне керування.