基于CNFET的低功耗三值门电路设计.pdf

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1、第27卷第3期，2014年7月宁波大学学报(理工版)首届中国高校优秀科技期刊奖Vol27No．3，July2014JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)浙江省优秀科技期刊一等奖基于CNFET的低功耗三值门电路设计唐伟童，汪鹏君，郑雪松(宁波大学电路与系统研究所，浙江宁波315211)摘要：通过对碳纳米场效应晶体管(CarbonNanotubeFieldEffectTransistor,CNFET)的研究，提出一种基于CNFET的低功耗三值门电路设计方案．该方案在分析CNFET结构及其不同尺寸的碳纳米管对应于不同阈值

2、电压特性的基础上，以多值逻辑理论为指导，设计基于CNFET的三值反相器、与非门、或非门等单元门电路，最后利用HSPICE对所设计的电路进行仿真．结果表明：所设计电路具有正确的逻辑功能，与传统三值门电路相比，三值CNFET门电路平均传输速度提高52．7％，平均能耗节省54．9％．关键词：低功耗；碳纳米场效应晶体管；多值逻辑；门电路中图分类号：TP3l1．2文献标志码：A文章编号：1001—5132(2014)03．0043—07随着集成电路芯片上元件数目的急剧增加，相比极为独特，具有广阔应用前景【5J．准一维结构内部有源器件和外部硅芯片的连

3、接变得十分复杂，的碳纳米管l：l~z维和三维纳米管的自由电子更容布线面积也不断变大，而多值逻辑的出现为解决易控制，另外碳纳米管可以通过改变结构使其表这些问题提供了一条新的途径[1】．多值逻辑能增加现成金属特性或者半导体特性，而金属特性的碳电路的单线传输信息容量，提高数字电路信息密纳米管比现有金属的导电性能更好，半导体特性度，进而减少集成电路芯片面积和引线数目．并且的碳纳米管迁移率和跨导性能也十分出众[6】．以半过多的引脚数目对一些超大规模集成电路产生了导体特性的碳纳米管管制成的CNFET开关电流较严重影响，而应用多值逻辑能大量减少外部引脚

4、，高，亚阈值特性较为理想，低温下可实现弹道运输提高电路的空间和时间利用率．根据Richards的计和便于大规模集成等优点．且近年来CNFET被逐算方法，信号的取值数为3是最好的选择【2]渐应用到数字电路领域．制约多值逻辑发展的主要因素是多值逻辑综笔者在CNFET物理结构的研究基础上，通过合电路和多值逻辑标准单元不够成熟，利用原有分析其等效模型，利用不同阈值电压的CNFET设的场效应晶体管设计多值逻辑电路较为复杂，但计三值门电路和相应的文字运算电路，并分析其随着纳米材料的出现，非有机硅的替代材料和混功耗和传输特性．合材料的应用已经被提出_3

5、4J．碳纳米管(Carbon1CNFET场效应晶体管Nanotubes，CNTs)从2O世纪90年代初被发现以来，引起了广泛的关注．碳纳米管与石墨有着类似的图1为利用碳纳米管制成的CNFET结构名]，电子结构，C—C原子间的共价键通过以sp杂化轨它在衬底si上加一层薄薄的SiO2，因此一系列碳道形成，具有耐热、防腐、导电等许多优良的性能．纳米管被放置在SiO：上，在碳纳米隧道区域部分由于碳原子和纳米碳管相结合，纳米碳管的尺度、不掺杂，其余区域高掺杂．高掺杂的区域分别表示结构、拓扑学因素的不同使得碳纳米管与传统器件漏极和源极，N型的CNFE

6、T和P型的CNFET类似，收稿日期：2013—09—18．宁波大学学报(理工版)网址：http：／／journallg．nbu．edu．crd基金项目：国家自然科学基金(61234002)；浙江省自然科学基金(Zl111219)．第一作者：唐伟童(1989一)，男，四川平昌人，在读硕士研究生，主要研究方向：逻辑电路．E-mail：twtw4747@163．tom·通信作者：汪鹏君(1966一)，男，浙江奉化人，博导／教授，主要研究方向：逻辑电路和低功耗集成电路．E—mail：wangpengjun@nbu．edu．cn宁波大学学报(理工版

7、)只是碳纳米管掺杂的物质不同．空穴电流；为在电流流动方向上第，子状态的载波数；L为子状态数．，h为控制源极的电流，主要用于评估CNFET的亚阈值电路特性和静态功耗，可表示为：4e尼bt=·二氧化硅M1．(eVchDs—Em0，)／KT，，∑In(广)，(3)I1T：式中，h为普朗克常数，6．63×10J·s～；rb为带问图1碳纳米场效应晶体管的结构隧穿的概率；E，为参杂在碳纳米管源漏区域的费图2给出了碳纳米管的等效电路模型[刚，它与米电势差．普通的场效应晶体管一样，都有漏极、栅极、源极、为使碳纳米管的等效电路更加接近于真实模基极四个端口．

8、在CNFET,中介电膜被周围未掺型，在等效模型中加入5个电容，也有采用6个电杂的碳纳米管和金属栅周围的电介质包围．容的等效电路模型．栅极由文献[6]可知，碳纳米管将折叠式的石墨层放入碳缸中，使