基于混合SET/MOSFET的比较器

　　1. 引言

　　据2001 年的国际半导体技术未来发展预示，到2016 年MOSFETs 的物理沟道长度将达到低于10nm 的尺寸[1]，而这种尺寸条件会影响到MOSFETs 的基本工作原理，因此必须寻找新的替代器件。单电子晶体管(Single-Electron Transistor，SET)具有较小体积、较低功耗和较高开关速度性能，其高度集成化远远超过目前大规模集成化的极限，被认为是下一代超大规模集成电路的理想器件[2]。同时SET 与MOSFET 具有很好的互补性：SET 的功耗低、可集成度高、有库仑振荡新特性等优点，而MOSFET 器件的高速、高电压增益和高驱动特性可以补偿SET 固有的缺点。因此，将来SET 与MOSFET 的混合在集成电路中共同占主导地位，对于解决纳米尺寸的集成电路具有很好的应用前景[3, 4]。

　　单电子进出量子点（岛）使其上的静电势和能量状态发生很大变化，它就可以作为传递数值信息的载体，制备成单电子存储器和单电子逻辑电路等等。因此，SET 在现代电路的微电子领域有潜在的应用价值，特别是在计算机和数字系统中，经常要对两个数的大小进行选择决策，因此，本文基于数字逻辑电路的设计思想，首先研究了双栅极SET 的输入特性，再利用SET/MOSFET 通用方波门特性讨论了具有‘与’、‘或’和‘异或’等功能的电路，并利用这些电路构造了一位比较器电路结构，最后用SET 的MIB 模型[5]进行了仿真验证。

　　2. 混合SET/MOSFET 结构与特性

　　2.1 双栅极SET 的特性

　　SET 由源极、漏极、与源漏极耦合的量子点（岛）、两个隧穿结和用来调节控制量子点中电子数的栅极组成。双栅极单电子晶体管可以等效为一个四端元件[6]，如图1（a）所示。图中CD和CS为隧穿结电容, RD和RS为隧穿结电阻，CG1和CG2为栅极电容，VG1和VG2为栅极电压，VDS为偏置电压。

图1 （a）双栅极SET的等效示意图 （b）双栅极SET的I-V特性

　　当漏极与源极间电压VDS不变时，随着栅极电压VG1的变化，两个隧穿结上电压也随之相应变化，当隧穿结上电压大于开启电压时，就会发生电子隧穿效应，即电子离开量子点（岛），隧穿出一个结；或者电子隧穿一个结，进入到量子点（岛）。这种隧穿过程随着VG的变化呈现为周期性如图1（b）所示。当VDS较小，漏极与源极间电流iDS表现出所谓的库仑振荡形式，其振荡电压的间隔是e/CGS1（e 是基本电荷）。另外，当VGS2<0 时，相位向右移动；当VGS2>0 时，相位向左移动。但如果VGS2<0 且VGS2较大时，会产生较高的势垒，阻碍了隧穿电流的产生，所以GS2 V 取值一般不应太小[7]。

　　2.2 双栅极SET 与MOSFET 的混合特性

　　由SET 的周期振荡特性和MOSFET 的阈值电压特性可构成双栅极SET/MOSFET 通用方波电路[8]，它是构成逻辑门电路的基本单元，如图2 所示。

　　图中双栅SET/MOSFET 的通用方波电路由SET、MOSFET 和恒流源构成。SET 的漏极电压由Vgg 控制，Vgg-Vth 要足够低以确保SET 漏源电压近似恒定工作在库仑振荡条件下，Vcon控制漏电流周期振荡的相位。接入恒流源Io 后，当Ids<Io 时，输出电压为高电平；当Ids>Io时，输出电压为低电平。同时，这里的恒流源Io 可利用耗尽型NMOSFET 设置加以实现。

　　数字电路中，最基本的单元在于逻辑门设计。在上述电路基础上，由双栅SET/MOSFET基本电路单元可构造出所需的逻辑‘与或非’、‘异或’等基本门电路结构[9]，如图（3）所示。当a=0，b=1 时，SET并联门实现逻辑函数Z =X•Y功能；当a=1，b=0 时，SET并联门实现逻辑函数Z =X•Y功能。当a=0，SET求和门实现逻辑函数Z =X⊕Y功能；当a=1，SET求和门实现逻辑函数Z =X⊕Y功能。

图3 SET/MOSFET 构成的逻辑门电路及相应符号

　　3 SET/MOSFET 数值比较器的实现

　　在计算机和数字系统中，特别是在计算机中都具有运算功能，一种简单而又常用的运算是比较两个数X 和Y 的大小，因此，在多情况下都用到数字比较器，需要判断出X>Y,X<Y, X =Y三种情况，其中应用最广泛的是反馈量和给定量之间的比较。一位数字比较器的逻辑表达式为：

                                (X>Y)=XY (1)

　　利用a=1，b=0 时的SET 并联门电路实现；

                                 (X<Y)=XY （2）

　　利用a=0，b=1 时的SET 并联门电路实现；

                                  (X=Y)=XY+XY （3）

　　利用a= 1 时的SET 求和门电路实现。
　结合以上分析，利用SET/MOSFET 的混合结构设计出一位比较器的电路，如图4 所示。

图4 一位比较器电路图

　　由图4 可以看出，一位比较器由五个双栅SET，三个耗尽型NMOSFET，三个恒流源构成。结构简单，实现容易，更重要的是它的管子数大大减少，有利于进一步提高集成度，较好的适应了集成电路的发展要求，同时MOSFET 晶体管的高速、高驱动性为下一级电路的提供了可靠的工作环境。

　　4 仿真分析

　　Mahapatra, Ionescu, Banerjee 等人2004 年提出SET 的MIB 数学模型[5]。该模型可以精确地描述SET 低温低功耗下的I-V 特性。适当选取SET/MOSFET 的各物理参数使用该模型对该一位比较器进行仿真，得到图5 的参数仿真分析结果，各参数选取如表1 所示。

　　图5 中X 和Y 为输入信号，Z 为输出信号。当输入X 为高电平信号，Y 为低电平信号，输出Z 实现的是X>Y 功能，如图5 所示。同理可得，当输入X 为低电平信号，Y 为高电平信号，输出Z 实现的是X<Y 功能；当输入X 为高（或低）电平信号，Y 为高（或低）电平信号，输出Z 实现的是X=Y 功能。首先，从仿真结果可见，波形较好地反映了一位比较器的功能，验证了利用混合双栅极SET/MOSFET 实现‘同或’功能的正确性。其次，比较器的输入高低电平分为110mV 和0V，而输出高低电平逼近于1V 和0V，从数据分析结果可见，低输入高输出电压可较好地驱动负载电路。最后，由MIB 的仿真模型，可以算出通过偏置电压VDD 的漏电流为6.3E-9A ，从而得出该比较器的静态总功耗为6.3nW。所以用SET/MOSFET 构成的电路具有极低的功耗，量级为nW 级，它比CMOS 电路低4-5 个量级。

　　5 结论

　　本文作者创新点：基于数字电路的逻辑设计思想，利用SET/MOSFET 混合结构的传输特性，设计构造了一位数值比较器结构。通过仿真分析和验证，该比较器的优点有：结构简单；传输特性好；驱动负载工作能力强，通过适当选取混合SET/MOSFET 的各个物理参数，尤其是SET 的物理参数，可以达到低输入电压和高输出电压；同时利用混合双栅极SET/MOSFET 实现‘同或’功能大大减少了管子的数目，更进一步提高了集成度，降低了功耗，更有利于大规模集成电路的实现。