2746

Рис. 2.8. Структура (а), конфигурации (б) и комбинации (в) элементов одноэлектронных клеточных автоматов. Квадратом с пометкой «+» условно обозначен положительный потенциал, который приложен к элементу 1

Элемент состоит из пяти наноостровков О1, О2, О3, О4 и О5, разделенных слоем диэлектрика Д. Наноостровки в элементе расположены таким образом, что возможно туннелирование только между НО, расположенными в углах квадрата (О1, О2, О3 и О4), через НО, расположенный в центре квадрата (О5).

С использованием внешнего напряжения через дополнительный электрод в элемент вводятся два избыточных электрона. Вследствие электростатического отталкивания электроны располагаются либо в наноостровках О1 и О3, либо в наноостровках О2 и О4. Поскольку возможных положений у пары электронов всего два, то элемент может находиться в одном из двух состояний, одно из которых принято считать логическим нулем, а другое − логической единицей (рис. 2.8, б).

Если расположить рядом несколько элементов, то силы кулоновского отталкивания электронов приводят к самоорганизации состояний этих элементов, чтобы обеспечить минимум электростатической энергии всей системы. Четыре рядом расположенных одинаковых элементов сети показано на рис. 2.8, в. Каждый элемент находится в состоянии логической единицы

41

и переходит в состояние логического нуля, когда к элементу 1 приложено внешнее электрическое напряжение. Элемент 1 сначала переходит в состояние логического нуля под электрическим напряжением, а затем переводит остальные элементы сети в состояние логического нуля в результате действия кулоновских сил.

Разные комбинации элементов позволяют реализовывать в клеточных автоматах разнообразные логические функции. Комбинация элементов, при которой на выходе реализуется логическое состояние, соответствующее большинству состояний на входе, показана на рис. 2.9, а.

Рис. 2.9. Конфигурация сети одноэлектронных клеточных автоматов, функционирующей как мажоритарный логический элемент (а); схематическое изображение трехвходового мажоритарного логического элемента (б); схема мажоритарного элемента, реализующего логическую операцию конъюнкции (в); схема мажоритарного элемента, реализующего логическую операцию дизъюнкции (г)

42

Пусть на вход А подается сигнал логической единицы («1»), а на входы B и C − сигналы логического нуля («0»). Тогда «ключевой» элемент 1, с одной стороны, имеет возможность перейти в состояние логической единицы под действием кулоновских сил со стороны элемента 2, а с другой − в состояние логического нуля вследствие действия кулоновских сил со стороны элементов 3 и 4. Поскольку большинству состояний на входе принадлежит состояние логического нуля, то всей сети энергетически выгоднее перейти в состояние логического нуля. На выходе устанавливается состояние логического нуля. Условные обозначения такой логической схемы и схем, позволяющих реализовать логические операции конъюнкции и дизъюнкции, показаны на рис. 2.9, б и рис. 2.9, в-г соответственно.

Рис. 2.10. Схемы, реализующие логическую операцию отрицания

Схема на рис. 2.10, а гораздо проще схемы на рис. 2.10, б, однако она является менее надежной и не допускает разветвление.

Одно из основных преимуществ логических устройств на основе одноэлектронных клеточных автоматов перед логи-

43

ческими устройствами на основе полевых транзисторов заключается в том, что им требуется значительно меньший объем активной области. Например, полный сумматор на основе клеточных автоматов с размерами наноостровков 20 нм занимает площадь одного полевого транзистора (около 1 мкм2), тогда как для создания такого же сумматора на основе полевых транзисторов необходимо примерно 40 транзисторов. К другим преимуществам можно отнести высокую скорость работы (несколько квадриллионов операций/с) при очень низком энергопотреблении (порядка 10-10Вт/бит), а также то, что отсутствует потребность в металлических межсоединениях, поскольку разветвление, передача и объединение логических сигналов осуществляется с использованием дорожек из тех же самых одноэлектронных клеточных автоматов.

Однако устройства на основе клеточных автоматов не лишены недостатков. В частности, такие устройства чувствительны к внешним воздействиям и поэтому требуют строгого контроля внешних условий.

Сегодня устройства на основе клеточных автоматов находятся на начальном этапе своего развития. Их практическое изготовление представляет собой проблему, которая в основном связана с разрешением технологических вопросов.

2.1.4. Одноэлектронные элементы и матрицы памяти

Двоичный элемент, у которого под центральным островком О5, имеющим размеры, сравнимые с размерами квантовой точки, сформирован металлический затвор З и металлическая шина Ш, может быть использован в качестве элемента па-

мяти (рис. 2.11, а).

44

а)

б)

Рис. 2.11. Элемент (а) и матрица (б) «магазинной» памяти

45

При подачи на затвор такого элемента напряжения открывания происходят туннельные переходы электронов через островок О5. Когда на затворе нет напряжения, электроны не переходят от островка к островку, состояние двоичного элемента фиксируется, надолго запоминается и сохраняется даже при отсутствии питания, то есть элемент памяти является энергонезависимым.

Совокупность определенным образом соединенных запоминающих элементов образует запоминающую матрицу так называемой «магазинной» памяти (рис. 2.11, б), где вертикальные металлические шины называют адресными. Чтобы записать информацию, сначала ко всем адресным шинам прикладывается напряжение открывания, которое приводит к свободному перемещению электронов между наноостровками каждого элемента. Затем на крайние справа островки двоичных элементов, расположенных над адресной шиной n, параллельно подают многоразрядный двоичный код для его записи по адресу «1». Элементы вдоль адресной шины n приходят в состояние, соответствующее поданному коду. Это состояние быстро передается по строкам матрицы элементам вдоль вертикальной адресной шины 1. Для запоминания установленного состояния элементов вдоль шины 1 с этой шины снимается напряжение открывания. Далее на крайние справа островки элементов над шиной n параллельно подают многоразрядный двоичный код для его записи по адресу «2». Поданный код переводит элементы вдоль шины n в соответствующее состояние, которое быстро передается элементам вдоль шины 2. Когда напряжение открывания снимается с адресной шины 2, состояние всех двоичных элементов над этой шиной запоминается. Состояние элементов вдоль вертикальных шин 1 и 2 не изменяется до тех пор, пока к шинам не будет приложено напряжение открывания. Потом многоразрядные двоичные коды записываются по адресам «3», «4», ... «n», а состояния элементов, отвечающие этим кодам, запоминаются после последовательного снятия напряжения открывания со всех соответствующих адресных шин.

46

Информация по адресу «1» считывается непосредственно. Другое дело обстоит с считыванием информации по другим адресам. Так, для считывания информации, например, по адресу «n», сначала к вертикальным шинам 1, 2... n-1 прикладывается напряжение открывания, при котором состояние элементов по адресу «n» передается элементам по адресу «1», а уже потом считывается информация по адресу «1».

2.2. Контрольные вопросы

1.Какова структура одноэлектронного транзистора?

2.Сравните принцип действия одноэлектронного транзистора с наноостровком, размеры которого больше длины волны де Бройля, и одноэлектронного транзистора с наноостровком, размеры которого меньше длины волны де Бройля?

3.От чего зависит электрический потенциал наноостровка? Напишите формулу для его расчета.

4.Что называют потенциалом открывания одноэлектронного транзистора?

5.Приведите схемы логических элементов «НЕ», «ИЛИНЕ» и «И-НЕ» на одноэлектронных транзисторах. Как работают такие логические элементы?

6.Что представляет собой элементарный одноэлектронный двоичный автомат?

7.Нарисуйте конфигурацию сети одноэлектронных клеточных автоматов, функционирующей как мажоритарный логический элемент. Объясните ее работу.

8.Как из одноэлектронных клеточных автоматов реализовать память?

47

3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ № 6, 7 ПРИБОРЫ НА РЕЗОНАНСНОМ ТУННЕЛИРОВАНИИ

3.1. Краткие теоретические сведения

3.1.1. Резонансный туннельный диод

диода состоит из последовательно расположенных квантовых ям, разделенных потенциальными барьерами, с электрическими контактами к двум крайним противоположным областям. Обычно это двухбарьерная структура, так как с увеличением количества ям становится все труднее создавать условия для резонансного туннелирования.

Принцип действия резонансного туннельного диода можно понять, проанализировав зависимость электрического тока через двухбарьерную структуру от приложенного к ней напряжения. Когда к двухбарьерной структуре приложено напряжение, электроны в контактном слое приобретают энергию. Если эта энергия меньше энергий дискретных уровней в квантовой яме, ток, протекающий через структуру, незначителен. При повышении напряжения ток сначала растет, пока энергии электронов и дискретного уровня не сравняются, достигает своего максимального значения, а затем падает, так как электроны набирают энергию, большую энергии дискретного уровня. Исходя из этого, на ВАХ резонансного туннельного диода имеется один максимум, если в квантовой яме находится один дискретный уровень, или несколько максимумов в случае двух и более дискретных уровней.

Резонансные туннельные диоды характеризуются участком ВАХ с отрицательной дифференциальной проводимостью и чрезвычайно высокими частотами переключения, поэтому

48

они очень перспективны для практических применений. В частности, отрицательная дифференциальная проводимость резонансных туннельных диодов применяется для создания логических элементов, элементов памяти, высокочастотных генераторов электрических колебаний и т.д.

3.1.2. Резонансно-туннельные транзисторы

Резонансно-туннельный транзистор (РТТ) представляет собой РТД, в котором сформирован управляющий электрод. Назначение управляющего электрода − смещение и изменение ВАХ РТД. Условное обозначение такого транзистора показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Условное обозначение РТТ в электрических схемах

Резонансно-туннельные транзисторы по структуре изготавливаются подобно биполярным и полевым транзисторам. В связи с этим выделяют резонансно-туннельные биполярные транзисторы и полевые транзисторы с резонансным туннелированием.

Резонансно-туннельным биполярным транзистором является биполярный транзистор с двухбарьерной квантовой структурой, встроенной в область перехода эмиттер-база или в область базы. Если двухбарьерная квантовая структура встроена в эмиттер, то имеет место РТТ на горячих электронах. На

49

ВАХ обоих приборов наблюдается участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Структура транзистора на горячих электронах приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Резонансно-туннельный транзистор на горячих электронах

В транзисторе между эмиттером и базой существует резкая гетерограница, за счет которой электроны, инжектированные из эмиттера в базу, приобретают дополнительную энергию ∆Eп, равную разнице энергий сродства к электрону двух контактирующих полупроводников. Инжектированные электроны с энергией ∆Eп имеют высокую скорость, определяемую из соотношения ∆Eп = mv2/2, и называются горячими, а транзисторы, в которых такие электроны баллистически пролетают базу, называют баллистическими. Толщина базы не должна превышать среднюю длину свободного пробега носителей заряда.

Баллистический транзистор, в отличие от обычного биполярного транзистора, является униполярным, а его инжектированные в базу электроны имеют более высокие скорости (106

50