基于单电子晶体管的仿真方法及电路设计研究

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1、河北工业大学硕士研究生学位论文第一章绪论§1.1单电子晶体管的发展概况纳米科学与技术是新时代科学发展的主要内容之一，是21世纪高科技的基础。纳米科技包括六个主要部分，即纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米表征测量学。六个部分中为首的是纳米电子学，因为它与现今在人类科技、生产和生活中的重要作用的微电子器件有重要关系。随着微电子器件集成度不断提高，特别是集成电路技术的发展，器件的尺寸越来越小，正如描述微[1]电子器件集成度不断提高的Moore定律表明每18个月硅片上的功能元件数增加一倍。按此速率，大约

2、十年以后元件尺寸将降到几十纳米，此时所带来的技术障碍是量子涨落和散热等问题，解决这些问题[2]出路在于找到纳米电子学的研究方法和选择功耗低并能抑制多种涨落的纳米电子器件。根据电子在岛中的约束程度，可将纳米电子器件分为三类：量子点(QD)、谐振隧穿器件(RTD)和单电子晶体管(Single-ElectronTransistor,SET)。6传统晶体管工作时通过每次10以上个电子的集体运动才能实现开关、振荡和放大等功能。SET作为纳米电子器件中一类重要器件，只要一个或几个电子的行为就可实现特定的功能，其体积可以缩小到−5传统器

3、件的1%，功耗减小到10。所以它具有体积小、无引线集成，极低的功耗和较高的开关速度，其高度集成化远远超过目前大规模集成化的极限并达到海森伯不确定原理设定的极限，是将来最具竞争[3-6]力的电子器件。单电子效应的发现可追溯到1951年，直到1987年才首次制造成功了两个隧道结串联的系统，即[7,8]SET，并观察到了库仑阻塞效应。1989年,MIT的Scott-Thomos在极窄的MOS器件中偶然发现，在[3]极低温度下电流随栅极电压周期性振荡的现象。1992年前后，关于单电子效应的理论已经基本建立[4,5]，此时人们开始考

4、虑如何在未来的器件中利用这种效应，创造出与传统微电子器件相比，具有超小型化、超快响应、以及超低功耗特性的新型器件。§1.2SET的应用研究概况国外对SET的研究已有十余年的历史，主要在其特性、材料制备、逻辑门设计、电路仿真及算法[9-20]实现等几个方面有所进展。国内对SET的研究由于起步较晚、研究人员较少，与国外有较大差距，[21-27]大多进行SET的数值模拟及材料制备方面研究。-1-基于单电子晶体管的仿真方法及电路设计研究随着VLSI的发展，以MOS数字集成电路为代表的微电子技术促进了计算机、通信和其它电子信息技术的

5、更新换代。但随着MOS管的尺寸不断减小，越来越多的技术障碍了妨碍其技术的发展。SET作为一类重要纳米器件,它具有与MOS管相类比的特性，被认为是最有可能取代MOS管构成VLSI的[3,4,6]基本器件。[3,6,28-30]与MOS管仅有一个栅极相比，SET可以具有双栅极或多栅极，用它来构造数字电路会给设计和分析带来极大的便利，特别是利用双栅极SET的隧穿电流相位移动特性，可以设计出互补型SET[27,31-32]反相器。近几年，国外学者对双(多)栅极SET的I-V特性、SPICE宏模型及逻辑门设计研究是一个热点。2003

6、年KasaiS等人提出了一种二叉判别图（BinaryDecisionDiagram,BDD）的SET全加器设计思[38-44][45-49]想。基于SET存储器的研究已有所进展，但对SET的ROM研究尚属空白；另外对SET的寄存器和移位寄存器的研究尚未见报道。[33-37]在模拟应用方面，基于SET的高速模数转换/数模转换（ADC/DAC）、神经网络的实现研究越来越引起人们的重视。§1.3本文主要工作纵观SET及数字应用的研究现状，对SET特别是双栅极或多栅极SET的原理、I-V特性、SPICE宏模型和基于SET的数字电路

7、、设计研究不仅具有非常重要的科学意义，而且具有很大的应用潜力。本文的主要工作包括SET及其I-V特性数学建模和SPICE宏模型建立、基于SET的数字电路设计与仿真和基于SET的模拟电路设计与仿真等三部分组成。第一章为绪论，第七章为结论和展望，其它各章的主要内容有：第二章单电子晶体管及仿真方法本章基于单电子正统理论，阐述了SET的结构、原理和特性，介绍了解主方程、蒙特卡洛和SPICE宏模型等三种仿真方法的具体实现过程,并就其优缺点进行了比较。第三章单电子晶体管I-V特性数学建模及SPICE宏模型建立本章基于单电子正统理论，改

8、进了SET的一个数学算法模型(准分析模型)，分析了SET的I-V特性和跨导特性。依据SET的一个数学分析模型，提出了它的SPICE宏模型，该模型由一个电压控制电流源、一个电压控制电压源和一个控制电压源构成。与准分析模型比较，该宏模型准确地表现了SET的I-V特性。第四章基于单电子晶体管的全加器设计-2-