一种新型的单电子数值比较器摘要:基于单电子晶体管的I-V特性,在构建反相器的基础上,推出了或非门及与或非逻辑门,并最终实现了一种新型的2位单电子数值比较器,利用SPICE模拟器验证了电路设计的正确性.该比较器结合了单电子晶体管与MOS管的优点.分析结果表明:与仅由单电子晶体管实现的比较器相比,电路的驱动能力提高的同时减少至少12个晶体管;与具有相同逻辑结构的CMOS实现的电路相比,该新型比较器使用了简单的单电子器件,使得电路的结构尺寸得到了极大的缩小,电路的功耗仅在10-10W数量级上,为将来超大规模集成电路进一步微型化奠定了?┗?础.关键词:数值比较器;反相器;单电子晶体管;MOS管;SPICE:TN389文献标志码:A:1008-9497(2010)01-059-040引言一些专家预测,随着微电子器件的集成度和运算速度持续呈指数级增长,CMOS缩比技术将在10～15年内走到极限.如果希望能够继续遵从摩尔定律,继续使用缩比器件,使它们更便宜、速度更快、功耗更低,那么将不得不研究一些新的器件,例如单电子晶体管(single-electrontransistor,SET)等.SET被认为是制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路的基本器件,因为这种晶体管工作仅需一个或几个电子,所以具有极低的功耗和较高的开关速度.但SET同时又具有高灵敏度、低增益等缺点,而传统的MOS管却具有低灵敏度、低输出阻抗、高增益等特点,两者具有很好的互补性.因此,SET和MOS混合结构电路是一种发展趋势[1-4].本文在分析单电子器件反相器电路特性基础上,推出或非门及与或非逻辑门,并由这些基本逻辑门实现了一种新型的2位数值比较器.1基于单电子器件的基本逻辑门反相器是逻辑电路的最基本单元,提出的基于单电子器件的反相器电路如图1(a)所示[5-6].耗尽型NMOS晶体管M1作为SET的负载器件,其栅极连接到源极,使它的栅源电压V??GS=0.由于提出的反相器为SET和MOS管的混合结构,传统的模拟MOS电路的模拟器和仅用来仿真SET的仿真方法都很难对该反相器进行仿真分析.本文在对MAHAPATRAS等[7]提出的改进型MIB模型进行分析的基础上获得了其SPICE模型.该模型可以用来仿真SET和MOS管混合结构的电路,并能准确地描述SET的I-V特性.利用SPICE对电路进行仿真分析,调节SET控制栅极的电压及隧穿电阻,反相器的电压传输特性分别如图1(b)、(c)所示.2单电子数值比较器在数字系统中,特别是在计算机中都具有运算功能,一种简单的运算就是比较两个数A和B的大小.数值比较器就是对两数A、B进行比较,以判断其大小的逻辑电路.比较结果有A>B、A2.11位数值比较器1位数值比较器是多位比较器的基础.当A和B都是1位数时,它们只能取“0”或者“1”两种值.??1位数值比较器的逻辑表达式为2.2两位数值比较器利用1位比较器的结果,进而可以分析比较两位数A1A0和B1B0的情况.在这里,为了减少符号的种类,而以(Ai>Bi)、(Ai根据逻辑表达式(2),实现的两位数值比较器如图4(b)所示.3电路的分析及仿真实现的1位数值比较器电路由2个反相器和3个或非门电路构成,需要5个NMOS管和8个单电子晶体管,与仅由单电子晶体管实现的1位数值比较器电路(需要19个单电子晶体管[8])相比,元件数目明显减少,虽然功耗有所增加,但电路的驱动能力却得到了提高.与纯CMOS实现的电路相比,电路具有极低的功耗,比CMOS电路低7~8个数量级.且本文所提出的1位数值比较器电路与同样逻辑结构的CMOS电路实现的1位数值比较器电路相比,电路在元器件的数量上减少了3个.2位数值比较器电路的实现利用了1位数值比较器的输出作为中间结果.电路共利用了19个NMOS管和32个单电子晶体管构成.由于两位数值比较器电路中的逻辑门所用的元器件数目均比CMOS逻辑门少,与同样逻辑结构的CMOS电路相比,2位数值比较器电路所用元器件在数量上得到明显减少,且由于电路中利用了结构简单的单电子器件,使得电路的结构尺寸也得到了极大的缩小.从仿真结果可以看出,波形较好地反映了比较器的功能,验证了电路设计的正确性;1位数值比较器和两位数值比较器的输出电压的高低电平都分别逼近于其偏置电压值和0值,使得电路与负载的匹配性较好;从仿真结果可以计算得出1位数值比较器电路的功耗为6??28×10-11W,两位数值比较器电路的功耗为2??76×10-10W,均具有极低的功耗.图5(a)的输出波形F??A=B...