CC BY
125
Если сопоставить изображения на рисунках 2 и 5, то можно легко сделать вывод о том, что аппаратные и программные черепашки Уолтера Грея соответствуют друг другу. Программные черепашки также никогда в точности не повторяют свои действия от сеанса к сеансу, но всегда ведут себя в соответствии с поведенческой моделью. Иными словами, модель черепашек Уолтера Грея воплощает основные принципы бионического подхода к управлению кибернетическими системами.
Таким образом, исследования показали, что созданная модель полностью имитирует поведение черепашек Элмер и Кора, а также позволяет совершенствовать структуру таких бионических кибернетических систем без их технической реализации в железе.
Идеи моделирования рефлексов живых существ нашли свое отражение в разработке рефлекторного подхода для создания интеллектуальных систем [5]. Сегодня он эффективно используется для создания различных автоматизированных сис-
тем. Особенно популярен при разработке систем естественно-речевого общения. Последующие исследования предусматривают объединение особенностей модели machina speculatrix Уолтера Грея с рефлекторным подходом для создания интеллектуальных систем. Это позволит усовершенствовать структуру модели таких кибернетических систем и сделать управление ими более эффективным. Новая модель ляжет в основу ее технического аналога.
Литература
1. Крайзмер Л.П., Сочивко В.П. Бионика. М.: Энергия, 1968. 115 с.
2. Owen E. Grey Walter: The Pioneer of Real Artificial Life; Proc. of the 5th International Workshop on Artificial Life. MIT Press, Cambridge, 1997, pp. 34-44.
3. Smit Michael C. Beam Robotics / Smit Michael C., Tilden Mark W.; Algorithm, 1991. Vol. 2. №. 2, pp. 15-19.
4. Кендал С. UML. Основные концепции. М.: Изд. дом «Вильямс», 2002. 144 с.
5. Тесля Ю.М. Несиловое взаимодействие: монография. Киев: Кондор, 2005. 195 с.
УДК 004.942
КОМПАКТНАЯ МОДЕЛЬ ГРАФЕНОВОГО ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА НА ЯЗЫКЕ VERILOG-A
А.А. Целыковский; И.А. Данилов
(Научно-исследовательский институт системных исследований РАН, atsel@niisi-msk. ru, danilov@ftiisi. msk. ru); Г.И. Зебрев, д.т.н. (Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»,
gizebrev@mephi. ru)
Представлены компактная модель графенового полевого транзистора и ее реализация на языке Verilog-A. На примере моделирования ряда аналоговых схем на основе графеновых транзисторов продемонстрирована возможность использования модели в промышленных САПР.
Ключевые слова: графеновый полевой транзистор, компактная модель, моделирование, ВАХ, Verilog-A, САПР, двухполупериодное выпрямление тока, умножение частоты, двухпозиционная фазовая манипуляция, амбиполярная электроника.
Графен, представляющий собой моноатомный слой углерода, рассматривается как возможная альтернатива кремнию для будущей наноэлектро-ники благодаря высокой подвижности носителей заряда и хорошим перспективам геометрического масштабирования [1]. Отсутствие запрещенной зоны, приводящее к большим токам утечки транзисторов в закрытом состоянии, препятствует применению графена в цифровых схемах, но не является ограничением для его использования в СВЧ-электронике [2].
Недавно были продемонстрированы графено-вые транзисторы, частоты отсечки которых выше, чем у лучших кремниевых транзисторов с соотносимыми длинами затворов [1]. Продолжающееся совершенствование технологий получения графе-на на большой площади делает реальной перспек-
тиву создания графеновых интегральных схем. В связи с этим встает задача схемотехнического проектирования с использованием графеновых транзисторов. Для этого требуется создание простых аналитических компактных моделей, подобных существующим для кремниевых транзисторов. Примером последних являются модели типа BSIM, являющиеся промышленным стандартом. Такие модели хорошо подходят для быстрых компьютерных расчетов и интеграции в существующие САПР, которые имеют набор стандартных инструментов моделирования, например, переходных процессов, облегчающих разработку и верификацию компактной модели. При этом компактные модели по возможности отражают процессы на физическом, феноменологическом или эмпирическом уровнях.
В последнее десятилетие в качестве одного из основных средств создания компактных моделей стал использоваться язык Verilog-A, который предназначен для описания аналоговой аппаратуры и позволяет реализовывать модели объектов на разных уровнях абстракции. Одним из главных преимуществ Verilog-A с точки зрения разработки компактных моделей является его широкое распространение как составной части языка Verilog-AMS, являющегося расширением обычного Verilog на случай аналого-цифровой аппаратуры. Это обусловливает наличие средств, необходимых для работы с Verilog-A, в большинстве современных САПР.
Помимо широкого распространения, к достоинствам языка Verilog-A следует отнести простоту его использования и интеграции написанных на нем моделей в программы моделирования типа SPICE. Кроме того, данный язык позволяет работать с частными производными в символьном виде. Все это делает Verilog-A крайне эффективным при написании компактных моделей.
Предлагаемая в данной работе диффузионно-дрейфовая компактная модель графенового полевого транзистора была реализована на языке Verilog-A. Модель основана на явном аналитическом решении уравнения непрерывности тока в канале и позволяет непрерывно описывать в аналитической форме вольт-амперные характеристики транзистора во всех режимах работы. Следует отметить, что традиционно существующие модели, например Level-3, пренебрегают решением уравнения непрерывности тока в канале, что приводит к нефизичной кусочной форме описания вольт-амперных характеристик отдельно для линейного режима и режима насыщения тока, а также для подпорогового и надпорогового участков. Представленная авторами модель учитывает физические особенности графеновых транзисторов (специфическую электростатику, важную роль квантовой емкости и т.д.) и экспериментально наблюдаемые специфические эффекты.
В работе рассматривается графеновый полевой транзистор с двумя затворами, схематическое изображение которого дано на рисунке 1. На рисунке 2 показана эквивалентная емкостная схема данной полевой структуры. Модель такого транзистора можно свести к модели [3] однозатворного транзистора с эффективным напряжением на затворе: = а)
G C,+ C2 w
и эффективной удельной емкостью подзатворного диэлектрика Cox=C1+C2 (рис. 3). Здесь V^2) - напряжение на верхнем (нижнем) затворе, Ci(2)=£i(2)£o/d](2) - удельная емкость верхнего (нижнего) подзатворного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью е1(2) и толщиной d1(2). При малой емкости нижнего диэлектрика и заземлении нижнего затвора (V2=0) модель транзистора с дву-
Рис. 1. Схематическое изображение графенового полевого транзистора с двумя затворами
мя затворами превращается в модель однозатвор-ного транзистора с VG=V1 и Cox=C1.
V,
Си
F,
Рис. 2. Эквивалентная емкостная
схема графенового полевого транзистора с двумя затворами:
CQ - удельная квантовая емкость, С и - удельная емкость поверхностных состояний на границе раздела графена и диэлектрика
Рис. 3. Эквивалентная емкостная схема графенового
транзистора с одним затвором
Параметрами предлагаемой модели являются геометрические размеры канала транзистора (длина Ь и ширина характеристики подзатворных диэлектриков (их диэлектрические проницаемости и толщины), удельная емкость поверхностных состояний Сц, соответствующее электронейтральности в канале напряжение Уыр, подвижность носителей заряда в графене При расчетах принимается во внимание существенная роль квантовой емкости в графеновых полевых структурах. В модели учитываются два типа насыщения тока в канале графенового транзистора: электростатическое запирание канала, при котором ток насыщения обратно пропорционален длине канала (рис. 4а), и насыщение дрейфовой скорости на значении у0р (также являющемся параметром модели), при котором ток насыщения не зависит от длины канала (рис. 4б).
б
Рис. 4. Выходные ВАХграфенового полевого транзистора; эффект генерации носителей подавлен
а
За счет учета размножения носителей заряда при сильных электрических полях в канале [4] модель позволяет описывать ряд экспериментально наблюдаемых эффектов, специфичных для графе-новых полевых транзисторов [5], среди которых излом и быстрый рост тока на выходных вольт-амперных характеристиках (ВАХ) графенового транзистора после участка насыщения при увеличении напряжения на стоке (рис. 5).
Компактная модель реализована на языке Verilog-A в виде отдельного модуля, имеющего выводы, соответствующие электродам D (сток), G1 (верхний затвор), G2 (нижний затвор), S (исток) транзистора. В модуле были объявлены константы, отсутствующие в стандартной библиотеке физических констант для языка Verilog-A, поставляемой в составе пакета Cadence IC Design (например, скорость Ферми и постоянная тонкой структуры в графене). Также были объявлены параметры модели, среди которых геометрические размеры канала, толщины и диэлектрические проницаемости подзатворных диэлектриков и т.д. Для параметров были указаны значения по умолчанию, которые используются, если в программе-симуля-торе они дополнительно не определены. Вычисление величин, не меняющихся в процессе моделирования (зависящих только от параметров), помещены в блок вычислений, выполняемых один раз в начале моделирования (@initial_step). Остальные вычисления выполняются на каждом шаге моделирования. Напряжения на выводах модуля обозначаются как V(D), V(G1), V(G2), V(S), ток от истока к стоку - как 1(D, S). Задание электрических величин на выводах модуля производится при помощи специального оператора <+. Описанное проиллюстрируем листингом.
Листинг Элементы компактной модели графенового транзистора на языке Verilog-A:
include "constants.vams" include "disciplines.vams"
module GFET(D, G1, G2, S); inout D, G1, G2, S; electrical D, G1, G2, S;
'define v_F 1M
parameter real L = 1u;
real Id0;
analog
begin
@(initial_step) begin
m=1+Cit/Cox;
end
M0=W*P_Q*m*vsat*(1-exp(-u0*(V(D)--V(S))/(vsat*L)));
I(D,S) <+ Id0/(1-M);
end
Реализация модели на языке Verilog-A обеспечила возможность ее использования в стандартных SPICE-подобных симуляторах.
На рисунке 6 представлена электрическая схема, состоящая из двух инверторов на резисторах и графеновых транзисторах. Она была промоделирована в симуляторе Cadence Spectre. Для резистора использована идеальная модель, для графе-нового транзистора - модель, представленная в настоящей работе. Результаты моделирования отражены на рисунке 7.
Рис. 6. Схема с двумя инверторами на графеновых транзисторах
Важнейшей особенностью графеновых полевых транзисторов является их амбиполярность, то есть способность изменять тип проводимости в зависимости от смещения на затворе. Представленная модель описывает амбиполярный характер проводимости графенового транзистора, который отражается в его передаточной характеристике (рис. 8), симметричной и близкой к передаточной характеристике выпрямителя [6].
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.i 3.0
в
Рис. 5. Сравнение результатов моделирования тока стока (линии) с экспериментом (точки) при различных напряжениях на затворе; моделирование проведено с учетом сопротивления контактов величиной 300 Ом в цепи сток-исток
l.iS-
г-
1
V J
s f \
s c 1
1
an .0 I.J !.
Рис. 7. Результаты моделирования схемы, представленной на рисунке 6. Сверху вниз: напряжение на входе, выходе первого инвертора, выходе второго инвертора
Рис. 8. Передаточная характеристика графенового
полевого транзистора (моделирование в Cadence Spectre). Левая ветвь соответствует проводимости p-типа, правая - п-типа
Устройства амбиполярной электроники на основе графена, среди которых двухполупериодный выпрямитель тока и умножитель частоты [6], схема двухпозиционной фазовой манипуляции [2] и другие, характеризуются значительным упрощением схемотехники из-за сокращения числа используемых транзисторов по сравнению с кремниевыми аналогами. На рисунке 9 представлена моделируемая схема, которая в зависимости от типа подаваемых на затвор сигналов может играть роль как выпрямителя тока и удвоителя частоты, так и схемы двухпозиционной фазовой манипуляции.
При подаче на затвор транзистора только синусоидального сигнала (если напряжение электронейтральности Vnp отлично от нуля, следует также сместить канал транзистора в состояние электронейтральности постоянным напряжением VNP, которое удобно подавать на нижний затвор) схема на рисунке 9 представляет собой двухполупериодный выпрямитель тока и умножитель частоты со значительно более простой схемотехникой [6] по сравнению с традиционными устройствами. Напряжения на входе (затворе транзистора) и выходе (стоке транзистора) данной схемы, а также ток стока транзистора представлены на рисунке 10.
При подаче на затворы транзистора двух управляющих сигналов - сигнала прямоугольной формы, который, меняя полярность, определяет тип проводимости в канале, и синусоидального сигнала меньшей амплитуды - моделируемая схема играет роль схемы двухпозиционной фазовой манипуляции (рис. 11).
Рис. 9. Включение графенового транзистора при моделировании двухполупериодного выпрямителя тока, умножителя частоты и схемы двухпозиционной фазовой манипуляции
Рис. 10. Двухполупериодное выпрямление тока и умножение частоты схемой на основе графенового транзистора (сверху вниз: напряжение на входе схемы, напряжение на выходе схемы, ток стока транзистора)
Рис. 11. Входной (вверху) и выходной сигналы схемы двухпозиционной фазовой манипуляции на основе графенового транзистора
Амбиполярная электроника является одним из активно развивающихся направлений электроники, открывающих новые перспективы для построения привычных устройств электроники. Представленную в данной работе компактную модель на языке Verilog-A можно использовать в промышленных САПР для моделирования как статических, так и динамических характеристик схем на основе амбиполярных графеновых транзисторов.
Литература
1. Schwierz F. Graphene transistors. Nature Nanotech. 2010, № 5, pp. 487-496.
2. Hsu A. [et al.]. High Frequency Performance of Graphene Transistors Grown by Chemical Vapor Deposition for Mixed Signal Applications. Japanese Journal of Applied Physics, 2011. Vol. 50.
3. Zebrev G.I. Graphene Field Effect Transistors: DiffusionDrift Theory, in Physics and Applications of Graphene - Theory, InTech, 2011. URL: http://www.intechopen.com/articles/show/title/ graphene-field-effect-transistors-diffusion-drift-theory (дата обращения: 14.10.2011).
4. Целыковский А.А. Генерация носителей заряда в канале графенового транзистора при сильных тянущих электрических полях // Ломоносов-2011: Сб. тез. Междунар. конф.: в 2 т. М.: МГУ 2011. Т. 2. С. 90-92.
5. Meric I. [et al.] Current saturation in zero-bandgap, top-gated graphene field- effect transistors, Nature Nanotech., 2008. № 3, pp. 654-659.
6. Wang H. [et al.]. Graphene frequency multipliers, IEEE Electron Device Letters. 2009. Vol. 30. № 5, pp. 547-549.
УДК 004.32:550.3
ОБЗОР СИСТЕМ СБОРА И ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ СТАНЦИЙ ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
С.А. Калёнов (Институт кибернетики, информатики и связи Тюменского государственного нефтегазового университета, polinochcka86@rambler.ru)
Рассматриваются распространенные системы сбора информации, применяемые на станциях геолого-технологических исследований СИРИУС и «Геосфера» для сопровождения бурения скважин. Сравниваются технические характеристики, надежность и удобство эксплуатации систем.
Ключевые слова: станции СИРИУС, «Разрез-2», «Геосфера», геолого-технологические исследования, устройство сбора информации.
Информационное обеспечение процесса бурения нефтяных и газовых скважин является наиболее важным звеном на этапе строительства скважин, особенно при введении в разработку и освоении новых нефтегазовых месторождений.
В информационном обеспечении процесса строительства скважин наиболее важную роль играют геолого-технологические исследования (ГТИ). Основными задачами службы ГТИ являются изучение геологического строения разреза скважин, выявление и оценка продуктивных пластов и повышение качества строительства скважин на основе получаемой в ходе бурения геолого-геохимической, геофизической и технологической информации. Оперативная информация, находящаяся в службе ГТИ, имеет большое значение при бурении разведочных скважин в малоизученных регионах со сложными горно-геологическими условиями, а также при проводке наклонно направленных и горизонтальных скважин [1].
Для решения этих задач разработаны системы непрерывного сбора, обработки, контроля, передачи и хранения информации, находящиеся на станциях ГТИ СИРИУС и «Геосфера» и на буровой и сопровождающие весь процесс бурения скважины.
Компьютеризированная станция ГТИ нефтегазовых скважин СИРИУС включает в себя систему сбора данных, состоящую из блока управления БУ-201-06 и двух распределительных блоков БР1-206 и БР2-207. Блок управления является центральным блоком системы сбора данных ГТИ и предназначен для обеспечения питания сети цифровых датчиков, расположенных на буровой, а также для опроса датчиков, сбора информации об измеренных параметрах и передачи их в ПЭВМ. Распределительные блоки предназначены для объединения терминальных устройств (датчиков) и компьютерной станции в единую систему сбора данных ГТИ (далее система сбора) для контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Они являются связующим звеном в распределенной системе сбора, к которому подключаются терминальные устройства, формируют требуемые информационные каналы и позволяют выполнять следующие функции:
- прием и первичную обработку информации от аналоговых и цифровых терминальных устройств (датчиков);
- управление цифровыми и аналоговыми датчиками;
