基于共振隧穿器件RTD的二值和三值電路研究與設(shè)計.pdf

1、隨著集成電路的發(fā)展以及器件特征尺寸的不斷減小，傳統(tǒng)的工藝尺寸已經(jīng)逐漸不能滿足跟器件尺寸密切相關(guān)的超大規(guī)模集成電路VLSI的發(fā)展要求，硅片技術(shù)迅速發(fā)展的勢頭有可能在十年內(nèi)(甚至更短的時間)放慢甚至完全停頓下來。為了更大程度提高電路的集成度，使它繼續(xù)按照摩爾定律和等比例縮小規(guī)律發(fā)展下去，就必須在器件工藝方面取得更大的突破。共振隧穿器件RTD(Resonant Tunneling Diode)是目前研究得最為充分及熱門的量子器件之一，其微分負

2、阻NDR(Negative differential Resistance)的特性使得RTD天生具有超高速、超高頻、超高集成度、高效低功耗等優(yōu)點，不僅在數(shù)字電路中具有廣泛的應(yīng)用范圍，在射頻RF電路中也得到了高度的重視，在未來VLSI領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。本研究課題將以共振隧穿二極管RTD為核心器件，在二值邏輯和多值邏輯領(lǐng)域?qū)哂懈鞣N功能的共振隧穿電路進行研究、設(shè)計、分析和實現(xiàn)。
　　 文章首先構(gòu)建了二值共振隧穿電路中的基本邏輯

3、運算單元。在傳統(tǒng)數(shù)字電路開關(guān)-信號代數(shù)理論基礎(chǔ)上提出了適用于共振隧穿電路的翻轉(zhuǎn)-傳輸理論，建立了翻轉(zhuǎn)-傳輸代數(shù)系統(tǒng)，用單穩(wěn)雙穩(wěn)轉(zhuǎn)換邏輯單元MOBILE(Monostable Bistabel Transition Logic Element)實現(xiàn)了兩種聯(lián)結(jié)運算的基本電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合3-level卡諾圖，就可以像傳統(tǒng)數(shù)字電路這樣把簡單方法運用到共振隧穿基本邏輯運算單元的設(shè)計中。運用翻轉(zhuǎn)-傳輸理論，不僅使得共振隧穿電路的設(shè)計更簡單靈活，而且提

4、出了共振隧穿電路設(shè)計的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)的方法。
　　 觸發(fā)器是存儲電路的核心，文章提出了二值RTD觸發(fā)器的兩種設(shè)計方法，可分別用MOBILE單元和共振隧穿RS鎖存單元來設(shè)計JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器，豐富了共振隧穿觸發(fā)器的種類，彌補了只能用MOBILE來設(shè)計RTD觸發(fā)器的單一性。
　　 文章還分析了共振隧穿電路中的開關(guān)序列工作原理，提出基于RTD電路的開關(guān)模型，以該模型和開關(guān)序列工作原理為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了三值邏輯運算單元的設(shè)計，并對

5、現(xiàn)有的三值RTD電路進行了改進。
　　 在三值觸發(fā)器電路中，文章以文字運算為核心，提出了基于文字電路的三值觸發(fā)器設(shè)計方法，實現(xiàn)了具有三軌輸出結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器并具有同步預(yù)先置位復(fù)位功能。
　　 此外，文章對共振隧穿電路的可測試性設(shè)計也進行了初步的探討。以電路故障中最常見的短路故障和開路故障為主，分析了共振隧穿電路中的各種物理故障并建立了故障模型，設(shè)計了測試網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同的測試向量，可分別用于測試二值和三值共振隧穿電路故障。<