基于SET/MOSFET混合结构的高效比较器设计与特性分析

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基于混合SET/MOSFET的比较器是一种创新的电路设计，它结合了双输入单电子晶体管（SET）与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的优势，旨在构建高性能的数字逻辑电路。该比较器的核心结构由5个双栅极SET和6个MOSFET组成，这一体系结构的引入主要出于以下几个关键目的： 1. 电路简化：通过利用SET和MOSFET的特性，设计者能够构建更为简洁的逻辑模块，这降低了电路的复杂度，使得设计更加直观和易于实现。 2. 管子数量减少：相比于传统的电路设计，使用混合SET/MOSFET的比较器减少了晶体管的数量，提高了电路的集成度和效率。 3. 电压兼容性与驱动性能：由于SET的电压敏感性和MOSFET的高驱动能力，这种混合设计具有良好的电压兼容性，能够适应不同的工作电压范围，同时保证信号传输的准确性和稳定性。 4. 电平特性：输入和输出的电压极性非常接近于1V和0V，这有利于信号处理和接口设计，符合许多数字电路的标准要求。 5. 低功耗：由于电路的优化设计，静态总功耗极低，达到纳瓦特(nW)级别，对于能源效率敏感的应用来说，这是一个显著的优点。 6. 模拟与数字逻辑的结合：文章介绍了SET的输入特性，以及如何将SET与MOSFET结合起来实现基本逻辑门的功能，如“与”、“或”和“异或”，为构建复杂的数字逻辑电路提供了基础。 2.1 双栅极SET特性：SET的结构包括量子点、隧穿结和两个栅极，其I-V特性展示了一个周期性的振荡模式，依赖于栅极电压的变化，这对于电路的动态行为至关重要。 2.2 SET与MOSFET混合：结合SET的周期性振荡和MOSFET的开关特性，可以实现高效的数据处理和选择决策，为一位比较器电路提供强大的功能基础。通过仿真验证，这种混合设计证明了其在数字电路设计中的有效性，展示了SET/MOSFET组合在小型化、低功耗和高性能方面的巨大潜力，为未来的微电子技术和计算机系统提供了新的发展方向。

基于混合基于混合SET/MOSFET的比较器的比较器

基于双输入单电子晶体管与MOSFET 的混合结构I-V 特性和数字电路的逻辑设计思想，提出了一种由5 个双栅极

SET 和6 个MOSFET 构成的一位比较器电路结构。该比较器有以下优点：利用双栅极SET和 MOSFET 构成逻

辑块使电路结构大为简化；减少了管子的数目；电压兼容性好，驱动性能高；输入和输出高低电平都接近于1V

和0V；静态总功耗低，为nW 级。仿真结果验证了它的正确性。

　　1. 引言引言

　　据2001 年的国际半导体技术未来发展预示，到2016 年

　　单电子进出量子点（岛）使其上的静电势和能量状态发生很大变化，它就可以作为传递数值信息的载体，制备成单电子存

储器和单电子逻辑电路等等。因此，SET 在现代电路的微电子领域有潜在的应用价值，特别是在计算机和数字系统中，经常

要对两个数的大小进行选择决策，因此，本文基于数字逻辑电路的设计思想，首先研究了双栅极SET 的输入特性，再利用

SET/MOSFET 通用方波门特性讨论了具有‘与’、‘或’和‘异或’等功能的电路，并利用这些电路构造了一位

　　2. 混合混合SET/MOSFET 结构与特性结构与特性

　　　　2.1 双栅极双栅极SET 的特性的特性

　　SET 由源极、漏极、与源漏极耦合的量子点（岛）、两个隧穿结和用来调节控制量子点中电子数的栅极组成。双栅极单

电子晶体管可以等效为一个四端元件[6]，如图1（a）所示。图中CD和CS为隧穿结电容, RD和RS为隧穿结电阻，CG1和CG2

为栅极电容，VG1和VG2为栅极电压，VDS为偏置电压。

图1 （a）双栅极SET的等效示意图（b）双栅极SET的I-V特性

　　当漏极与源极间电压VDS不变时，随着栅极电压VG1的变化，两个隧穿结上电压也随之相应变化，当隧穿结上电压大于

开启电压时，就会发生电子隧穿效应，即电子离开量子点（岛），隧穿出一个结；或者电子隧穿一个结，进入到量子点

（岛）。这种隧穿过程随着VG的变化呈现为周期性如图1（b）所示。当VDS较小，漏极与源极间电流iDS表现出所谓的库仑

振荡形式，其振荡电压的间隔是e/CGS1（e 是基本电荷）。另外，当VGS2<0 时，相位向右移动；当VGS2>0 时，相位向左

移动。但如果VGS2<0 且VGS2较大时，会产生较高的势垒，阻碍了隧穿电流的产生，所以GS2 V 取值一般不应太小[7]。

　　2.2 双栅极双栅极SET 与与MOSFET 的混合特性的混合特性

　　由SET 的周期振荡特性和MOSFET 的阈值电压特性可构成双栅极SET/MOSFET 通用方波电路[8]，它是构成逻辑门电路

的基本单元，如图2 所示。

　　图中双栅SET/MOSFET 的通用方波电路由SET、MOSFET 和恒流源构成。SET 的漏极电压由Vgg 控制，Vgg-Vth 要足

够低以确保SET 漏源电压近似恒定工作在库仑振荡条件下，Vcon控制漏电流周期振荡的相位。接入恒流源Io 后，当IdsIo时，

输出电压为低电平。同时，这里的恒流源Io 可利用耗尽型NMOSFET 设置加以实现。

　　数字电路中，最基本的单元在于逻辑门设计。在上述电路基础上，由双栅SET/MOSFET基本电路单元可构造出所需的逻

辑‘与或非’、‘异或’等基本门电路结构[9]，如图（3）所示。当a=0，b=1 时，SET并联门实现逻辑函数Z =X•Y功能；当

a=1，b=0 时，SET并联门实现逻辑函数Z =X•Y功能。当a=0，SET求和门实现逻辑函数Z =X⊕Y功能；当a=1，SET求和门实

现逻辑函数Z =X⊕Y功能。

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