ТОП 10:

Проектування нанопровідників на квантових автоматах



Мета роботи. Ознайомитися з принципом функціонування квантових точкових коміркових автоматів (КА). Вивчити принципи передачі цифрової інформації за допомогою КА.

 

Теоретичні відомості

Комп'ютери та електронні пристрої відіграють важливу роль в науковому та технічному процесах. Одним з перспективних напрямків розвитку обчислювальної техніки є технологія КА розміром (50×50) нм, яка на даний момент перебуває на стадії становлення. Наноелектронні пристрої на КА можуть досягнути більшої швидкодії при менших розмірах та меншому енергоспоживанню ніж транзисторна технологія. Базовим елементом пристроїв на КА є нанорозмірна комірка (30×30) нм. Комірка ‑ це група квантових точок які працюють згідно принципу квантового коміркового автомату.

Базова діелектрична комірка КА містить чотири напівпровідникові чи металеві квантові точки (острівці), які геометрично розміщені по куткам квадрату, як показано на рис. 1.1. Комірки використовуються для побудови нанопровідників, логічних елементів, запам’ятовуючих пристроїв, тощо.

"Логічний нуль" "Логічна одиниця"

 

P = -1 P = +1

а) б)

Рис. 1.1. Базова комірка в двох можливих логічних станах

 

Принцип дії КА, заснований на квантовому тунелюванні та кулонівській взаємодії електронів, дозволяє створювати пристрої, які можуть працювати як комутуючі транзистори, але з меншими розмірами та меншою споживаною потужністю. Однорідна архітектура КА може бути сформована за допомогою електронної літографії або травлення.

Кожна комірка може містити два надлишкові електрони, які в змозі тунелювати між квантовими точками. Коли потенціал діелектричних перетинок між точками високий , електрони будуть локалізовані та не зможуть тунелювати, а коли потенціал низький електрони зможуть вільно тунелювати. Кулонівське відштовхування між електронами примусить їх розташуватися на діаметрально протилежних кутках з двома можливими конфігураціями (рис. 1.1). Ці два стабільні стани можуть бути представлені як поляризації комірок P= -1 та P= +1. Рівень поляризації P= -1 відповідає логічному нулю (рис. 1.1, а), а P= +1 відповідає логічній одиниці (рис. 1.1,б). Якщо в масиві КА, отриманому після розміщення декількох комірок в ряд, змінити поляризацію першої комірки в визначений стан, то друга комірка прийме той же стан по принципу найменшої енергії. Далі по принципу доміно всі комірки масиву набудуть цей же рівень поляризації.

Поляризація комірки визначається співвідношеннями:

(1.1)

де і , і – щільності зарядів електронів у діагонально розташованих квантових точках комірки.

Таким чином, бінарна інформація передається без руху зарядів. Тобто нема протікання струму між комірками. Це – основна причина, чому структури КА споживають надмізерну кількість енергії ~10-22Дж. Для використання КА розмір комірки чи точки не є критичними, але вони повинні захопити єдиний електрон в кожній точці. Інтервал між точками повинен дозволити тунелювання електронів в межах комірки. Однак комірки не повинні бути розділеними. Накладання квантових комірок також можливе. Інтервал між комірками визначається основним рівнянням кулонівської взаємодії:

, (1.2)

де = 1.6*10-19 Кл – заряд електрона, – відстань між електронами в КА, сила кулонівської взаємодії та – коефіціент пропорційності.

Ефект провідника полягає в тому, щоб бінарна інформація перейшла до наступної комірки. Якщо групувати комірки в вигляді лінійного масиву нанопровідника, то електричний сигнал може бути переданий по ньому (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Ефект нанопровідника на КА

 

На даний момент для моделювання пристроїв на КА використовують САПР QCA Designer. В наносхемах на КА необхідна синхронізація роботи, для чого використовують синхроімпульси (рис. 1.3). Вони не тільки синхронізують потоки інформації, але й забезпечують пристрій енергією для роботи. Комірки не мають інших джерел енергії крім енергії синхроімпульсів. Ці імпульси були запроваджені, щоб управляти потенційними бар'єрами між точками. Коли синхроімпульс має високий рівень, потенціальні бар'єри між точками низькі, і електрони вільно тунелюють між квантовими точками. Коли рівень синхроімпульсу низький, електрони локалізуються в положенні, яке залежить від поляризації сусідніх комірок. Для передавання бінарної інформації схема розділена на чотири зони синхронізації (синхрозони), як показано на рис. 1.3. Кожна синхрозона зміщена по фазі на 90˚ відносно попередньої. Таким чином, комірки фіксують поляризацію послідовно і розповсюджують інформацію в потрібних напрямках.

Рис. 1.3. Синхроімпульси







Последнее изменение этой страницы: 2016-12-29; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.231.220.225 (0.006 с.)