姚茂群，馮杰，沈珊瑚

(杭州師范大學(xué) 國(guó)際服務(wù)工程學(xué)院， 浙江 杭州 311121)

共振隧穿二極管(resonant tunneling diode，RTD)是利用量子共振隧穿效應(yīng)工作的一種較成熟的量子器件和納米電子器件[1-2]. 在室溫下，RTD因具有獨(dú)特的負(fù)內(nèi)阻(negative differential resistance, NDR)特性及皮秒量級(jí)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度，非常適用于高速低功耗數(shù)字集成電路. 相較于傳統(tǒng)的CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)器件，RTD的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用器件數(shù)量少，功耗低[3-4].

單雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元(MOno-stable BI-stable transition logic element，MOBILE)是基于RTD電路的一個(gè)重要邏輯單元，能實(shí)現(xiàn)豐富的邏輯功能[5-6]. 在時(shí)序電路領(lǐng)域，由RTD構(gòu)成的多種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的D觸發(fā)器已被實(shí)現(xiàn)，如SCFL(source coupled FET logic，源耦合場(chǎng)效應(yīng)晶體管邏輯)接口的D觸發(fā)器[7]和CML(current-mode logic，電流型邏輯)類型的D觸發(fā)器[8]. 由RTD構(gòu)成的D鎖存器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,目前并不多見(jiàn)[9]. 本文將基于MOBILE的工作方式和輸出控制方式，結(jié)合RTD自身的負(fù)內(nèi)阻特性，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的D鎖存器.

1 MOBILE的2種工作方式

RTD的電流電壓特性曲線如圖1所示，Ip和-IP分別為正向和負(fù)向波峰電流，IV和-IV分別為正向和負(fù)向波谷電流，Vp和-Vp為正向和負(fù)向波峰電壓，VV和-VV為正向和負(fù)向波谷電壓[10]. 當(dāng)RTD正向偏置電壓從0開(kāi)始增大到Vp時(shí)，電流逐漸從0增至Ip，該區(qū)域稱為RTD的第一正阻區(qū)；當(dāng)電壓繼續(xù)增至VV時(shí)，電流反而減至波谷電流IV，該區(qū)域稱為RTD的負(fù)阻區(qū)；電壓繼續(xù)增大，電流也隨之增大，呈現(xiàn)普通二極管的正向特性，稱該區(qū)域?yàn)镽TD的第二正阻區(qū). RTD負(fù)向電流電壓曲線與正向近似并關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，只是-IP和-IV的絕對(duì)值較正向稍小一點(diǎn)，-Vp和-VV的絕對(duì)值與正向值接近.

圖1 RTD電流電壓特性曲線Fig.1 Current and voltage characteristic curve of RTD

基于RTD的MOBILE如圖2所示[5-6]，由2個(gè)RTD串聯(lián)而成，一個(gè)是RTD負(fù)載管，另一個(gè)是RTD驅(qū)動(dòng)管，V為偏置電壓，A為RTD的單位面積. 當(dāng)RTD電流密度一定時(shí)，RTD的波峰電流和波谷電流與其面積成正比，但RTD的波峰電壓和波谷電壓基本不隨其面積的改變而變化. MOBILE也可由更多個(gè)RTD串聯(lián)而成. 本文通過(guò)2個(gè)RTD串聯(lián)的MOBILE進(jìn)行電路設(shè)計(jì). MOBILE主要有2種工作方式： 上升沿觸發(fā)和高電平觸發(fā).

圖2 MOBILEFig.2 MOBILE

1.1 上升沿觸發(fā)

上升沿觸發(fā)是MOBILE的一種常見(jiàn)工作方式[11]. 其偏置電壓V為時(shí)鐘電壓，電路在上升沿時(shí)，產(chǎn)生需要的輸出. RTD負(fù)載管和RTD驅(qū)動(dòng)管需要同時(shí)滿足2個(gè)條件： RTD負(fù)載管波谷電流小于RTD驅(qū)動(dòng)管波峰電流和RTD負(fù)載管波峰電流大于RTD驅(qū)動(dòng)管波谷電流. 工作原理如圖3(a)和(b)所示. 當(dāng)V較小時(shí)，RTD負(fù)載管和RTD驅(qū)動(dòng)管的工作狀態(tài)都處于第一正阻區(qū)，此時(shí)，電路只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)S0點(diǎn)(見(jiàn)圖3(a))，輸出低電平；當(dāng)V繼續(xù)增大并超過(guò)RTD波峰電壓的2倍時(shí)，電路有2個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)：S1和S2點(diǎn)(如圖3(b)所示).處于S1還是S2狀態(tài)，具體要看RTD負(fù)載管和RTD驅(qū)動(dòng)管中的波峰電流，波峰電流較小的先進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，呈現(xiàn)較大的阻抗，此時(shí)，電路處于雙穩(wěn)態(tài). 在圖2中，由于RTD驅(qū)動(dòng)管波峰電流較小，電路處于S2穩(wěn)定點(diǎn)，輸出高電平. 當(dāng)V保持高電平時(shí)，電路輸出保持不變，此時(shí)，電路具有自鎖功能.

圖3 上升沿觸發(fā)工作原理Fig.3 Rising-edge triggered working principle

1.2 高電平觸發(fā)

高電平觸發(fā)是MOBILE不常用的一種工作方式，但在某些數(shù)字電路，如觸發(fā)器、鎖存器等電路設(shè)計(jì)中，發(fā)揮著重要作用[12]. 在高電平偏置電壓V下工作，RTD負(fù)載管和RTD驅(qū)動(dòng)管需滿足： RTD負(fù)載管波峰電流小于RTD驅(qū)動(dòng)管波谷電流或RTD負(fù)載管波谷電流大于RTD驅(qū)動(dòng)管波峰電流，工作原理如圖4所示. 當(dāng)V接高電平且RTD負(fù)載管波峰電流小于RTD驅(qū)動(dòng)管波谷電流時(shí)，RTD負(fù)載管的電流電壓曲線如圖4的實(shí)線所示，由于電路只有一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)S1，所以輸出低電平；當(dāng)V接高電平且RTD負(fù)載管波谷電流大于RTD驅(qū)動(dòng)管波峰電流時(shí)，RTD負(fù)載管的電流電壓曲線如圖4的虛線所示，電路也只有一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)S2，所以電路輸出高電平.

圖4 高電平觸發(fā)工作原理Fig.4 High-level triggered working principle

2 MOBILE的輸出控制方式

圖5 2種輸出控制方式Fig.5 Two output-control modes

為有效控制MOBILE的輸出，常用做法是加入三端控制器件，如HEMT(high electron mobility transistor，高電子遷移率晶體管)、HBT(heterojunction bipolar transis，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)、HFET(heterojunction field-effect transistor，異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等[13-15]. 常見(jiàn)的輸出控制方式有2種： 三端器件直接與RTD并聯(lián)[16]和三端器件與RTD的串聯(lián)結(jié)構(gòu)和RTD并聯(lián)[17]. 以HEMT為例，2種輸出控制方式分別如圖5(a)和(b)所示. 在圖5(a)中，HEMT與RTD驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)，記與RTD驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)的區(qū)域?yàn)镹DR，輸入信號(hào)D通過(guò)HEMT柵極輸入. 由于NDR區(qū)域的電流電壓特性曲線與RTD相似，NDR區(qū)域的波峰電流受D控制，當(dāng)D為高電平時(shí)，HEMT導(dǎo)通，NDR區(qū)域的波峰電流為此時(shí)HEMT的電流與RTD驅(qū)動(dòng)管波峰電流之和；當(dāng)D為低電平時(shí)，HEMT截止，NDR區(qū)域的波峰電流為RTD驅(qū)動(dòng)管的波峰電流. 通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)RTD負(fù)載管和RTD驅(qū)動(dòng)管的面積和HEMT參數(shù)，便可由輸入信號(hào)D控制電路的輸出. 當(dāng)然，也可將HEMT與RTD負(fù)載管并聯(lián)，或者并聯(lián)更多個(gè)HEMT. 在圖5(b)中，HEMT與RTD的串聯(lián)結(jié)構(gòu)和RTD驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)，同樣記與RTD驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)的區(qū)域?yàn)镹DR，輸入信號(hào)D通過(guò)HEMT柵極輸入. 此時(shí)，當(dāng)D為高電平時(shí)，NDR區(qū)域的波峰電流為RTD驅(qū)動(dòng)管的波峰電流和與其并聯(lián)的RTD的波峰電流之和；當(dāng)D為低電平時(shí)，NDR區(qū)域的波峰電流為RTD驅(qū)動(dòng)管的波峰電流，從而達(dá)到控制整個(gè)電路輸出的目的. 三端器件直接與RTD并聯(lián)的控制方式主要應(yīng)用在邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電路上，優(yōu)點(diǎn)是使用較少的器件便可實(shí)現(xiàn)所需的邏輯功能，缺點(diǎn)是需要調(diào)節(jié)HEMT的參數(shù)，使設(shè)計(jì)變復(fù)雜. 三端器件與RTD的串聯(lián)結(jié)構(gòu)和RTD并聯(lián)的控制方式主要應(yīng)用于邏輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電路. 其優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)時(shí)只須改變RTD面積，可忽略HEMT器件對(duì)電路的影響，缺點(diǎn)是器件數(shù)量增多了.

筆者綜合上述2種輸出控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的RTD控制輸出方式，如圖6所示. 輸入信號(hào)D通過(guò)RTD1的一端輸入，由于RTD的正、負(fù)向電流電壓曲線關(guān)于原點(diǎn)近似對(duì)稱，當(dāng)D為高電平時(shí)，與RTD負(fù)載管并聯(lián)的區(qū)域波峰電流增加，增加值約為此時(shí)RTD1的波峰電流；同理，當(dāng)D為低電平時(shí)，與RTD驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)的區(qū)域波峰電流增大，增大值約為此時(shí)RTD1的波峰電流，以此來(lái)控制電路的輸出. 這種輸出控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于： 充分利用了RTD電流、電壓的正、反向特性；無(wú)須使用面積較大的三端器件即可控制MOBILE的輸出；只須考慮RTD的面積，電路設(shè)計(jì)更加方便. 缺點(diǎn)在于： 利用MOBILE設(shè)計(jì)電路時(shí)，無(wú)法通過(guò)該輸出控制方式實(shí)現(xiàn)所有的邏輯功能，如反相器. 但在設(shè)計(jì)某些特定邏輯功能電路時(shí)，有較大優(yōu)勢(shì)，如同相器.

圖6 RTD控制輸出方式Fig.6 RTD control-output mode

3 新型D鎖存器設(shè)計(jì)

雖然上升沿觸發(fā)的MOBILE在偏置電壓為高電平時(shí)能保持電路輸出不變，具有自鎖功能，但偏置電壓為低電平時(shí)電路輸出歸0，與傳統(tǒng)CMOS的D鎖存器邏輯功能不吻合. 為了獲得與傳統(tǒng)D鎖存器邏輯功能相同的RTD電路，電路設(shè)計(jì)常常較為復(fù)雜. 如文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)的D鎖存器電路(見(jiàn)圖7). 造成電路復(fù)雜的主要原因是未將MOBILE的2種工作方式相結(jié)合，且未利用RTD電流電壓的反向特性.

圖7 文獻(xiàn)[9]中的D鎖存器Fig.7 D-latch in [9]

在設(shè)計(jì)D鎖存器時(shí)，筆者充分考慮了上述問(wèn)題，選擇偏置電壓保持高電平的MOBILE，采用前一節(jié)設(shè)計(jì)的RTD控制輸出方式，另加一個(gè)三端器件，所設(shè)計(jì)的D鎖存器如圖8所示. 其中，Vdd為偏置電壓，時(shí)鐘信號(hào)Vclk通過(guò)HEMT輸入，輸入信號(hào)D通過(guò)RTD1輸入，RTD1、RTDL和RTDD需同時(shí)滿足3個(gè)條件： (1) RTD1與RTDL的波谷電流之和大于RTDD的波峰電流；(2) RTD1與RTDD的波谷電流之和大于RTDL的波峰電流；(3) 當(dāng)Vclk為低電平時(shí)，RTDL和RTDD工作在上升沿觸發(fā)方式.

圖8 D鎖存器Fig.8 D-latch

電路工作原理分析： 當(dāng)Vclk為高電平且D為高電平時(shí)，由于電路滿足條件(1)，此時(shí)電路工作在高電平觸發(fā)方式，且只有1個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，所以Q輸出高電平；當(dāng)Vclk為高電平且D為低電平時(shí)，由于電路滿足條件(2)，此時(shí)電路也工作在高電平觸發(fā)方式，且只有1個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，所以Q輸出低電平；當(dāng)Vclk為低電平時(shí)，由于電路滿足條件(3)，且Vdd保持高電平，此時(shí)，電路具有自鎖特性，故電路Q保持原來(lái)的狀態(tài)不變.

仿真及驗(yàn)證： 對(duì)所設(shè)計(jì)的D鎖存器進(jìn)行HSPICE仿真，采用文獻(xiàn)[10]介紹的RTD模型，仿真波形如圖9所示. 其中，RTD波峰電壓為0.28 V，波谷電壓為0.52 V，波峰電流密度為9 kA·cm-2，電容為4 fF·μm-2，單位面積A為2 μm2；HEMT采用耗盡型晶體管，閾值電壓為-0.1 V，偏置電壓Vdd為0.8 V，時(shí)鐘信號(hào)Vclk高電平為0.8 V，輸入信號(hào)D為0.8 V的脈沖信號(hào)；RTDL和RTDD面積均為0.5A，RTD1面積為3A. 從圖9中可以看出，該D鎖存器具有正確的邏輯功能，且輸出Q的高電平約0.72 V，低電平約0.05 V. 相較文獻(xiàn)[9]中的D鎖存器，本D鎖存器不僅電路結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，只有3個(gè)RTD和1個(gè)HEMT器件，而且功耗低，只有51.74 μW，最高工作速度可達(dá)約30 GHz.性能比較見(jiàn)表1.

圖9 仿真波形Fig.9 Simulation waveform

D鎖存器器件數(shù)量功耗/μW速度/GHz文獻(xiàn)[9]3個(gè)非門(mén)、1個(gè)或門(mén)、4個(gè)RTD和4個(gè)HEMT220.0720本文3個(gè)RTD、1個(gè)HEMT51.7430

4 總 結(jié)

介紹了MOBILE的2種工作方式： 上升沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)；2種輸出控制方式： 三端器件直接與RTD并聯(lián)、三端器件與RTD的串聯(lián)結(jié)構(gòu)和RTD并聯(lián)；1種RTD控制輸出方式. 上升沿觸發(fā)的MOBILE雖具有自鎖特性，但當(dāng)電路的偏置電壓為低電平時(shí)，電路輸出出現(xiàn)歸零現(xiàn)象，使得在利用MOBILE設(shè)計(jì)D鎖存器時(shí)電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜. 本文采用RTD控制輸出方式，并結(jié)合RTD及MOBILE的特性，大大簡(jiǎn)化了D鎖存器電路的復(fù)雜度，同時(shí)提升了電路性能. RTD控制輸出方式也可用于某些特定的邏輯功能電路，如同相器等，能提升電路的綜合性能.