35«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» УДК 621.38
Бураев Дмитрий Андреевич Buraev Dmitriy Andreevich
Студент Student
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ)
Bauman Moscow State Technical University (BMSTU)
ТРОИЧНЫЙ СУММАТОР, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР НА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБКАХ
TERNARY ADDER USING CARBON NANOTUBE FIELD EFFECT
TRANSISTORS
Аннотация, в статье рассмотрены актуальные вопросы применения углеродных нанотрубок в основных устройствах цифровой электроники-транзисторах. Рассмотрено устройство транзисторов на углеродных нанотрубках, отмечается потенциал использования данных транзисторов в логических схемах нестандартного типа -троичных сумматорах. Автором отмечено, что исследования в данной области могут привести к полной замене кремниевой микроэлектроники на углеродную.
Abstract, The article discusses topical issues of the use of carbon nanotubes in the main devices of digital electronics namely transistors. The device of transistors on carbon nanotubes is considered, the potential of using these transistors in logic circuits of a non-standard type - ternary adders is noted. The author noted that researches in this area can lead to a complete replacement of silicon microelectronics with carbon.
Ключевые слова, углеродные нанотрубки, троичная логика, сумматор, транзисторы на основе углеродных нанотрубок, хиральность, затвор, исток, сток.
Keywords, carbon nanotubes, ternary logic, adder, carbon nanotubes field effect transistors, gate, chirality source, drain.
Введение
В цифровой электронике вычисления выполняются по двухзначной логике, т.е. существует только два возможных значения (0 или 1, истина или ложь) для любой переменной. В то же время некоторые логические вычислительные проблемы и недостатки в алгебре логики могут быть решены
XIIМеждународная научно-практическая конференция преобразованиями цифровой информации посредством многозначной логики.
Использование многозначной логики приводит к созданию микросхем с
меньшей сложностью и меньшей площадью, а также к возможности
параллельной и последовательной передачи данных с очень высокой пропускной
способностью. Однако из-за ограничений в реализации реальных систем,
разработчики оборудования могут использовать только натуральные числа как
основу вычислений. Наиболее эффективной многозначной системой, которая
приводит к наименьшей стоимости и сложности устройства, является троичная
логика [1].
Полевые МОП-транзисторы приближаются к своему предельному размеру в нанометровом диапазоне. Полупроводниковая промышленность ищет различные материалы и альтернативные устройства для интеграции с текущими кремниевыми технологиями, и в конечном итоге, возможно, для замены основного материала. За последние несколько десятилетий углеродные нанотрубки (УНТ) привлекли значительное внимание в области электроники, благодаря их уникальной структуре и отличным физическим свойствам [2]. Среди альтернативных МОП- транзисторам конструкций, таких как одноэлектронный транзистор, транзистор с графеновыми нанолентами и др., наиболее интересным является транзистор на УНТ в связи со сходством его с МОП -транзистором с точки зрения его внутренних электронных свойств [3].
В данной статье рассматривается устройство наиболее фундаментальной арифметической схемы -полусумматора.
Транзистор на основе УНТ
Полевые транзисторы на углеродных нанотрубках состоят из полупроводниковых однослойных УНТ, которые собираются в электронные устройства, подобные полевым МОП-транзисторам. Однослойная УНТ состоит из одного цилиндра. Она может быть полупроводником или проводником в зависимости от его вектора хиральности, который определяется целочисленной парой - индексами хиральности (т, п) [3]. Они однозначно определяют диаметр D однослойной УНТ [4]. Указанная связь и имеет следующий вид:
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований»
Э =
р
■&п2 + т2 + пт,
где а0 = 0,142 нм — расстояние между соседними атомам и углерода в графитовой плоскости. Нанотрубка будет металлической, если п = т или п-т = 3^ где i - целое число. В противном случае трубка является полупроводником.
Похожий на традиционный кремниевый аналог, транзистор на основе УНТ также имеет четыре терминала (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема транзистора из углеродных нанотрубок:
(а) вид в разрезе; (б) вид сверху
Как показано на рисунке 1, нелегированные полупроводящие нанотрубки помещаются под затвор как область канала, в то время как сильно легированные сегменты УНТ помещаются между затвором и истоком / стоком, чтобы обеспечить низкое последовательное сопротивление в открытом состоянии [5].
XIIМеждународная научно-практическая конференция Поскольку потенциал затвора увеличивается, устройство электростатически включено или выключено через данный затвор. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) полевых транзисторов на основе УНТ качественно не различаются от ВАХ МОП-транзисторов (рис. 2).
60и
-|-1 I I I | I I I I | I I I I | I I I I |-1 I I |
О 200т 400т 600т 800т
vds (V)
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзисторов на основе УНТ, полученные с использованием SPICE-моделирования [6]
Но в отличие от традиционных кремниевых материалов, пороговое напряжение транзисторов на основе УНТ может быть отрегулировано до требуемого значения путем изменения индексов хиральности УНТ, что является главным основанием обеспечения таких транзисторов аппаратом троичной логики. Например, пороговое напряжение с использованием УНТ с индексами
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» (13, 0) составляет 0,428 В, в то время как пороговое напряжение при индексах
(19,0) равно 0,293 В [3].
Троичный упрощенный полусумматор
Рассмотрим вариант упрощенного полусумматора, в основе устройства
которого находятся транзисторы на основе УНТ.
Схема троичного полусумматора, показанная на рис. 3, использует
двоичный логический вентиль.
Рис. 3. Схема троичного полусумматора
Эта схема реализована с использованием трех групп логических элементов из трех И и одного ИЛИ логических затворов. Одна такая группа И-ИЛИ показана внутри обведенного блока на рис. 3. Все три таких группы с помощью транзисторов на основе УНТ заменяются упрощенной схемой, как показано на рис. 4. Это уменьшает количество транзисторов со 130 на рис. 3. до 94 после использования упрощений, показанных на рис. 4.
XIIМеждународная научно-практическая конференция
Рис.4 Упрощенная реализация логического элемента трех И и одного ИЛИ с использованием транзисторов на основе УНТ
Данная конструкция также потребляет на 12% меньше энергии с меньшей задержкой.
Заключение. В настоящее время транзистор на основе УНТ считается одним из самых перспективных кандидатов на устройства пост-кремниевой электроники. Новые эффективные троичные ячейки полного сумматора могут быть впоследствии предложены для электронных устройств на основе углеродных нанотехнологий.
Библиографический список:
1. Moaiyeri M.H., Mirzaee R.F., Navi K., Hashemipour O. Efficient CNTFET-based ternary full adder cells for nanoelectronics // Nano-Micro Letters. 2011. 3(1). P. 43-50.
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований»
2. Sahoo S.K., Akhilesh G., Sahoo R., Muglikar M. High -Performance Ternary
Adder using CNTFET // IEEE Transactions on Nanotechnology. 2017. V.3, No. 16. P.368-374.
3. Sheng Lin, Yong-Bin Kim, Lombardi F. A Novel CNTFET-Based Ternary Logic Gate Design // 52nd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, 2-5 Aug. 2009. P. 435-438.
4. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства //Успехи физических наук. 2002. N. 4. С. 401- 438.
5. Appenzeller J. Carbon Nanotubes for High-Performance Electronics— Progress and Prospect // Proceedings of the IEEE. 2008. V. 96, N 2. P. 201 - 211.
6. Deng, Wong H.-S.P. A compact SPICE model for carbonnanotube field-effect transistors including nonidealities and its application. Part I: Model of the intrinsic channel region // IEEE Transactions on Electron Devices. 2007. V. 54, N. 12. P. 31863194.
