Cải thiện hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên trong cổng đảo đơn điện tử

Trong bài viết này, hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên được áp dụng cho cổng đảo đơn điện tử hoạt động ở nhiệt độ phòng (300 K). Hệ số tương quan CC giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra được sử dụng để phân tích hiệu quả của việc áp dụng hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên.

Nghiên cứu khoa học công nghệ CẢI THIỆN HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG NGẪU NHIÊN TRONG CỔNG ĐẢO ĐƠN ĐIỆN TỬ Trần Thị Thu Hương*, Lương Duy Mạnh, Nguyễn Huy Hoàng Tóm tắt: Các linh kiện đơn điện tử với hai ưu điểm bật kích thước siêu nhỏ (cỡ nm) tiêu thụ công suất thấp hứa hẹn cho việc ứng dụng vào mạch tích hợp tương lai Trong báo này, tượng cộng hưởng ngẫu nhiên áp dụng cho cổng đảo đơn điện tử hoạt động nhiệt độ phòng (300 K) Hệ số tương quan CC tín hiệu vào tín hiệu sử dụng để phân tích hiệu việc áp dụng tượng cộng hưởng ngẫu nhiên Các kết mô cho thấy 300K mối quan hệ CC mức tạp âm vào có dạng đường cong cộng hưởng Bằng cách cải tiến cấu trúc cổng đảo đơn điện tử cho đặc tính vào-ra có trễ 300 K, cải thiện CC đạt dải rộng mức tạp âm Từ khóa: Linh kiện đơn điện tử; Hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên; Cổng đảo đơn điện tử ĐẶT VẤN ĐỀ Các linh kiện đơn điện tử (SE: single-electron) với hai ưu điểm quan trọng kích thước siêu nhỏ tiêu thụ cơng suất thấp đóng vai trò then chốt phát triển mạch tích hợp [1] Đối với hầu hết ứng dụng thực tiễn, yêu cầu cần thiết khả hoạt động mạch nhiệt độ phòng Tuy nhiên, nhiệt độ làm việc cao làm cho lượng nhiệt k BT ( k B số Boltzmann T nhiệt độ tuyệt đối) vượt qua lượng điện tích Ec , dẫn đến suy giảm hiệu ứng đơn điện tử [2] Sự xuất kiện xuyên hầm ngẫu nhiên cảm ứng nhiệt gây ảnh hưởng đáng kể tới hoạt động mạch số đơn điện tử Cổng đảo SE linh kiện logic dùng cho thiết kế mạch số [3] Hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên (SR: stochastic resonance) cải thiện phản ứng hệ thống phi tuyến tín hiệu đầu vào (có chu kỳ mức tín hiệu yếu) thêm mức tạp âm thích hợp tới đầu vào [4÷6] Phân tích tượng SR cổng đảo SE sở để đánh giá ảnh hưởng tạp âm tác động tới mạch logic Trong báo công bố chúng tôi, tượng SR cổng đảo SE cải thiện cách thiết kế cổng đảo có đặc tính vào-ra trễ K Nghiên cứu loại bỏ ảnh hưởng nhiệt thiết kế đánh giá [7] Trong báo này, cải tiến cấu trúc cổng đảo SE để có đặc tính vào-ra trễ nhiệt độ phòng (300 K) kiểm tra xem tượng SR có cải thiện hay khơng Hệ số tương quan CC (correlation coefficient) tín hiệu vào sử dụng để đánh giá hiệu việc áp dụng tượng SR Các tín hiệu miền thời gian mức tạp âm vào đạt tối ưu minh họa để chứng minh hiệu hoạt động cổng đảo SE cải tiến HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG NGẪU NHIÊN TRONG CỔNG ĐẢO ĐƠN ĐIỆN TỬ 2.1 Cổng đảo đơn điện tử Chúng tơi phân tích cấu trúc phổ biến cổng đảo SE hình 1(a) [3] Cổng đảo SE tạo bốn chuyển tiếp ( J1 , J , J , J ) mắc nối tiếp nguồn điện áp U S đất, hai tụ điện cực cửa ( CG ), hai tụ điện định thiên ( CB ), Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử tụ điện đầu ( Cra ) J1 J có tham số giống C1 R1 , J J có tham số giống C2 R2 Các mối quan hệ tham số cổng đảo C2  2C1 , CG  8C1 , CB  7C1 , C *  C1  C2  CG  CB , SE sau: U S  1.5e / 2C * [3] Các tham số dùng mô giả thiết là: C1  0.001 aF, R1  100 kΩ, C2  0.002 aF, R1  50 kΩ, CG  0.008 aF, CB  0.007 aF, Cra  1.00 aF, U S  6.70 V Mô Monte-Carlo sử dụng cách sử dụng chương trình mơ SIMON với điều kiện khơng có q trình xun hầm đồng thời [8] Hình 1(b) minh họa đặc tính vào-ra cổng đảo SE 300 K Điện áp U điện áp vào U vao tăng từ tới điện áp nguồn U S U U vao giảm từ U S xuống biểu diễn đường nét đứt đường chấm chấm Từ hình vẽ cho thấy đặc tính vàora cổng đảo SE khơng có trễ US CB J2 CG Uvao Điện áp ra, Ura (V) CG J1 Ura J3 Cra CB J4 Uvao tăng Uvao giảm Nhiệt độ, T = 300 K US Điện áp vào, Uvao (V) (a) (b) Hình (a) Sơ đồ nguyên lý cổng đảo SE (b) Đặc tính vào-ra cổng đảo SE 300 K 2.2 Phương pháp mô Tín hiệu vào tạp âm vào đưa tới cổng đảo SE có dạng tương tự báo cơng bố [7] Tín hiệu vào tín hiệu ngưỡng (mức tín hiệu nhỏ mức ngưỡng hệ thống) có dạng xung chữ nhật với biên độ U tín vào chu kỳ Ttín  200 ns Tạp âm vào có phân bố phạm vi từ U tap vao / tới U tap vao / Tín hiệu vào có tạp âm định nghĩa tổng tín hiệu vào tạp âm vào, U vao  U tin vao  U tap vao Cả tín hiệu vào tạp âm vào rời rạc hóa với bước ns Để đánh giá tượng SR, CC định nghĩa sau [7], N CC   U N  U i 1 tin vao i 1  i   U tin vao  U  i   U  tin vao N  i   U tin vao   U  i   U  (1) i 1 T T T Hương, L D Mạnh, N H Hoàng, “Cải thiện tượng cộng hưởng … điện tử.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong đó, U tin vao  i  mẫu thứ i tín hiệu vào; U  i  mẫu thứ i tín hiệu N ra; U tin vao  1/ N  U tin vao i  giá trị trung bình mẫu tín hiệu vào; i 1 N U  1/ N   U  i  giá trị trung bình mẫu tín hiệu Đối với cổng i 1 đảo, đầu có phản ứng theo đầu vào tín hiệu vào mức thấp tín hiệu mức cao ngược lại, điều có nghĩa CC  Giá trị CC lý tưởng cổng đảo 1 Mức ngưỡng xác định nghĩa mức tối thiểu tín hiệu vào làm xuất phản ứng đầu [4] 2.3 Hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên cổng đảo đơn điện tử Các ngưỡng xác cổng đảo SE (mục 2.1) K 300 K gọi  1 Giá trị ngưỡng   2.83 V 1  2.45 V (Giá trị ngưỡng xác định CC bắt đầu nhỏ 0) Để đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ tượng SR, CC tính tốn K 300 K Hình 2(a) minh họa mối quan hệ CC mức tạp âm vào chuẩn hóa U tap vao / i mức tín hiệu vào chuẩn hóa U tin vao / i  0.90 (các số i  i  cho trường hợp K 300 K) Trong hình 2(a), CC K 300 K biểu diễn đường liền nét đường nét đứt Trong hai trường hợp, U tap vao / i tăng CC biến thiên có dạng đường cong cộng hưởng Tại điểm cực tiểu đường cong cộng hưởng: mức tạp âm đầu vào gọi mức tối ưu, giá trị CC gọi tối ưu ( CCopt ) Giá trị CCopt dùng để đánh giá hiệu tượng SR Khi CCopt gần 1 tương quan tín hiệu vào tín hiệu tốt hay hiệu tượng SR cao Có thể thấy, hiệu tượng SR 300 K ( CCopt  0.39 ) so với tượng SR K 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0.4 T = 300 K T = 300 K 0.2 T=0K CC CC ( CCopt  0.57 ) -0.2 -0.4 Utin vao/θ1 = 0.70 Utin vao/θ1 = 0.80 Utin vao/θ1 = 0.90 -0.6 -0.8 -1 Utap vao/θi (a) Utap vao/θ1 (b) Hình (a) Hệ số tương quan CC cổng đảo SE phụ thuộc mức tạp âm vào chuẩn hóa U tap vao / i mức tín hiệu vào chuẩn hóa U tin vao /  i  0.90 nhiệt độ khác ( i  T  K; i  T  300 K) (b) CC cổng đảo SE 300 K phụ thuộc vào U tap vao / 1 U tin vao / 1  0.70; 0.80; 0.90 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hiện tượng SR 300 K đánh giá cho trường hợp U tin vao / 1 khác Trong hình 2(b), tham số CC U tin vao / 1  0.70; 0.80; 0.90 biểu diễn điểm có dạng hình tròn, nét vạch chéo, hình tam giác Khi U tin vao / 1 lớn điểm cực tiểu đường CC thấp, tức hiệu tượng SR cao Tuy nhiên, chí với U tin vao / 1  0.90 CCopt  0.39 xa so với giá trị CC lý tưởng ( 1 ) Các tín hiệu vào-ra cổng đảo SE minh họa cho trường hợp T  300 K CCopt  0.39 Các hình 3(a), (b), (c) mơ tả tín hiệu vào U tin vao / 1  0.90 , tín hiệu vào có tạp âm mức tạp âm đạt tối ưu U tap vao / 1  2.20 , tín hiệu Khi tín hiệu vào mức cao tín hiệu biến thiên ngẫu nhiên mức cao mức thấp (ví dụ khoảng thời gian 300÷400 ns) Các biến thiên ngẫu nhiên tín hiệu giải thích tương quan tín hiệu tín hiệu vào không tốt ( CCopt  0.39 ) Như vậy, cải thiện CCopt cổng đảo SE Ura (V) cách làm cho tín hiệu ổn định -4 300 350 400 Thời gian (ns) Mức thấp 200 400 600 800 1000 Thời gian (ns) (a) -2 -4 -2 -4 Ura (V) Mức cao Uvao (V) Utin vao (V) -2 -4 200 400 600 800 1000 Thời gian (ns) 200 400 600 800 1000 Thời gian (ns) (b) (c) Hình Các tín hiệu vào-ra cổng đảo SE 300 K CCopt  0.39 (a) Tín hiệu vào mức tín hiệu vào chuẩn hóa U tin vao / 1  0.90 (b) Tín hiệu vào có tạp âm mức tạp âm đạt tối ưu U tap vao / 1  2.20 (c) Tín hiệu CẢI THIỆN HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG NGẪU NHIÊN TRONG CỔNG ĐẢO ĐƠN ĐIÊN TỬ 3.1 Cải tiến cấu trúc cộng đảo đơn điện tử Như đề cập trên, giải pháp cho việc cải thiện hiệu tượng SR xuất phát từ việc loại bỏ biến thiên ngẫu nhiên tín hiệu Do đó, mạch điện nên có đặc tính vào-ra cho mức tín hiệu ổn định tín hiệu vào có tạp âm biến thiên cách ngẫu nhiên Hiện tượng trễ dạng đặc tính vào-ra có khả thực điều [9] Đối với đặc tính vào-ra trễ, mức đầu giữ nguyên trạng thái trước mức đầu vào nằm phạm vi hai ngưỡng [9,10] Cổng đảo SE cải tiến để có đặc tính vào-ra trễ cách mắc thêm hai rời rạc hóa đầu vào (ID: input discretizer) nối tiếp nằm nguồn tín hiệu vào cổng đảo T T T Hương, L D Mạnh, N H Hoàng, “Cải thiện tượng cộng hưởng … điện tử.” Nghiên cứu khoa học công nghệ SE minh họa hình 4(a) [7,11,12] Bộ ID thứ tạo chuyển tiếp J 01 tụ điện nối đất C01 Bộ ID thứ hai gồm chuyển tiếp J 02 tụ nối đất C02 Cả J 01 J 02 có tham số giống C0 R0 Trong báo công bố, C01 C02 thiết lập để mạch có đặc tính vào-ra trễ K [7] Trong báo này, C01 C02 chọn để mạch có đặc tính vào-ra trễ 300 K Các tham số hai ID đặt sau: C0  0.001 aF, R0  100 kΩ, C01  0.050 aF, C02  0.072 aF Mô Monte-Carlo thực cách sử dụng chương trình mơ SIMON điều kiện nhiệt độ 300 K q trình xun hầm đồng thời Hình 4(b) minh họa đặc tính vào-ra cổng đảo SE cải tiến 300 K Điện áp U U vao tăng từ tới điện áp nguồn U S U U vao giảm từ U S xuống biểu diễn đường nét đứt đường chấm chấm Có thể thấy cổng đảo SE cải tiến có đặc tính vào-ra trễ Trên hình 4(b), có hai ngưỡng ngưỡng thấp U L ngưỡng cao U H Uvao tăng Uvao giảm T = 300 K J01 C01 Uvao J02 J1 CB US J2 Ura J3 C02 Cra CB Ura (V) CG CG J4 US (a) 0 Uvao (V) (b) Hình (a) Sơ đồ nguyên lý cổng đảo SE cải tiến (b) Đặc tính vào-ra cổng đảo SE cải tiến 300 K 3.2 Hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên cổng đảo đơn điện tử cải tiến Phương pháp mô tương tự mục Ngưỡng xác  cổng đảo SE cải tiến 300 K 4.22 V Hiện tượng SR cổng đảo SE cải tiến 300 K đánh giá cách xác định mối quan hệ CC mức tạp âm đầu vào chuẩn hóa U tap vao /  Trong hình 5, tham số CC mức tín hiệu vào chuẩn hóa U tin vao /   0.70; 0.80; 0.90 mô tả điểm có dạng hình tròn, nét vạch chéo, hình tam giác Đường CC có dạng đường cong cộng hưởng với điểm cực tiểu CCopt đạt mức tạp âm tối ưu Khi U tin vao /   0.80 U tin vao /   0.90 , CCopt cổng đảo SE cải tiến (hình 5) cải thiện đáng kể so với CCopt cổng đảo SE chưa cải tiến (hình 2(b)) Cụ thể, CCopt cổng đảo SE chưa cải tiến lớn 0.40 CCopt cổng đảo SE cải tiến nhỏ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 0.90 Khi U tin vao /   0.90 , CCopt cổng đảo SE cải tiến đạt 0.99 , giá trị gần với giá trị CC lý tưởng ( 1 ) Một ưu điểm quan trọng CC  0.90 đạt dải rộng mức tạp âm Ví dụ, với U tin vao /   0.90 , CC  0.90 0.30  U tap vao /   0.92 CC 0.4 0.2 Utin vao/θ2 = 0.70 Utin vao/θ2 = 0.80 Utin vao/θ2 = 0.90 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 T = 300 K -1 Utap vao/θ2 Hình Hệ số tương quan CC cổng đảo SE cải tiến 300 K phụ thuộc vào mức tạp âm vào chuẩn hóa U tap vao /  mức tín hiệu vào chuẩn hóa U tin vao /   0.70; 0.80; 0.90 Mức cao Mức cao Uvao (V) Utin vao (V) -2 Mức thấp -4 200 400 600 800 1000 Thời gian (ns) (a) 8 6 4 Ura (V) 2 -2 -2 -4 -4 200 400 600 800 1000 Thời gian (ns) Mức thấp 200 400 600 800 1000 Thời gian (ns) (b) (c) Hình Các tín hiệu vào-ra cổng đảo SE cải tiến 300 K CCopt  0.99 (a) Tín hiệu vào trường hợp mức tín hiệu vào chuẩn hóa U tin vao /   0.90 (b) Tín hiệu vào có tạp âm mức tạp âm đạt tối ưu U tap vao /   0.73 (c) Tín hiệu Các tín hiệu vào-ra cổng đảo SE cải tiến 300 K CCopt  0.99 mô tả hình Tín hiệu vào hình 6(a) có U tin vao /   0.90 Tín hiệu vào có tạp âm hình 6(b) chứa mức tạp âm tối ưu U tap vao /   0.73 Tín hiệu hình 6(c) có tương quan tốt tín hiệu vào Khi tín hiệu vào mức thấp, tín hiệu mức cao T T T Hương, L D Mạnh, N H Hoàng, “Cải thiện tượng cộng hưởng … điện tử.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ngược lại Phản ứng vào-ra tốt giải thích dựa đặc tính vào-ra trễ cổng đảo SE cải tiến Theo đặc tính vào-ra trễ cổng đảo SE cải tiến hình 4(b), tín hiệu chuyển từ mức cao xuống mức thấp mức tín hiệu vào lớn ngưỡng cao U H , chuyển từ mức thấp mức cao mức tín hiệu vào nhỏ ngưỡng thấp U L Áp dụng đặc tính để giải thích cho sau Trong phạm vi mức thấp tín hiệu vào có tạp âm (mũi tên hai chiều nét đứt hình 6(b)), giá trị cực đại dải nhỏ ngưỡng cao U H nên tín hiệu giữ mức cao Trong phạm vi mức cao tín hiệu vào có tạp âm (mũi tên hai chiều nét liền hình 6(b)), giá trị cực tiểu dải lớn ngưỡng thấp U L nên tín hiệu giữ mức thấp Như vậy, trạng thái đầu giữ ổn định tín hiệu vào có tạp âm biến thiên ngẫu nhiên, cải thiện đáng kể cổng đảo SE cải tiến so với cổng đảo SE chưa cải tiến KẾT LUẬN Hiện tượng SR cổng đảo SE cải thiện cách cải tiến cấu trúc cổng đảo SE để có đặc tính vào-ra trễ nhiệt độ phòng (300 K) Cổng đảo SE cải tiến cải thiện hiệu tượng SR dải rộng mức tạp âm, điều giúp cho việc ứng dụng tượng SR trở nên linh hoạt Hơn nữa, với mức tín hiệu vào thích hợp đưa tới cổng đảo SE cải tiến, điểm cực tiểu đường cong cộng hưởng gần với hệ số tương quan lý tưởng, kết cho thấy khả nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu yếu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Z A K Durrani, “Single-electron devices and circuits in Silicon,” Imperial College (2010), pp 1-21 [2] K K Likharev, “Single-electron devices and their applications,” Proc IEEE, Vol 87, No (1999), pp 606-632 [3] J R Tucker, “Complementary digital logic based on the “Coulomb blockade”,” J Appl Phys., Vol 72, No (1992), pp 4399-4413 [4] F C.-Blondeau and X Godivier, “Theory of stochastic resonance in signal transmission by static nonlinear systems,” Phys Rev E, Vol 55, No (1997), pp 1478-1495 [5] L Gammaitoni, P Hanggi, P Jung, and F Marchesoni, “Stochastic resonance,” Rev Mod Phys., Vol 70, No (1998), pp 223-287 [6] F Moss, L M Ward, and W G Sannita, “Stochastic resonance and sensory information processing: A tutorial and review of application,” Clinical Neurophysiology, Vol 115, No (2004), pp 267-281 [7] Tran T T Huong and Y Mizugaki, “A single-electron hysteretic inverter designed for enhancement of stochastic resonance,” IEICE Electronics Express, Vol 12, No 17 (2015), pp 1-12 [8] C Wasshuber, “Computational single-electronics,” Springer-Verlag (2001) [9] B McNamara and K Wiesenfeld, “Theory of stochastic resonance,” Phys Rev A, Vol 39, No (1989), pp 4854-4869 [10] V I Melnikov, “Schmitt trigger: A solvable model of stochastic resonance,” Phys Rev E, Vol 48, No (1993), pp 2481-2489 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [11] Y Mizugaki et al, “Single-electron devices with input discretizer,” IEEE Trans Nanotech., Vol 7, No (2008), pp 601-606 [12] M Takiguchi and Y Mizugaki, “Design of single-electron Schmitt trigger using discretized charge characteristics on array of small tunnel junctions,” IEICE Trans Electron., Vol J97-C, No (2014), pp 112-117 ABSTRACT IMPROVEMENT OF PHENOMENA RANDOM RESONANCE IN SINGLE INVERTER GATE Single-electron (SE) devices have been prospective for future integrated circuits because of nano-meter scale and ultra-low power consumption In this paper, stochastic resonance (SR) phenomenon is applied for an SE inverter operating at room temperature (300 K) Correlation coefficient CC between input and output signals is used to analyze efficiency of SR performance The simulation results show that CC versus noise level at 300 K exhibit a resonance curve We modify the configuration of the SE inverter to have hysteretic input-output characteristic at 300 K, resulting in the enhancement of CC over a wide range of the noise levels Keywords: Single-electron device; Stochastic resonance; Single-electron inverter Nhận ngày 05 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 28 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 10 năm 2018 Địa chỉ: * 10 Học viện Kỹ thuật quân Email: saohom10385@gmail.com T T T Hương, L D Mạnh, N H Hoàng, “Cải thiện tượng cộng hưởng … điện tử.” ... Tín hiệu CẢI THIỆN HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG NGẪU NHIÊN TRONG CỔNG ĐẢO ĐƠN ĐIÊN TỬ 3.1 Cải tiến cấu trúc cộng đảo đơn điện tử Như đề cập trên, giải pháp cho việc cải thiện hiệu tượng SR xuất phát... lý cổng đảo SE cải tiến (b) Đặc tính vào-ra cổng đảo SE cải tiến 300 K 3.2 Hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên cổng đảo đơn điện tử cải tiến Phương pháp mô tương tự mục Ngưỡng xác  cổng đảo SE cải. .. tạp âm biến thiên ngẫu nhiên, cải thiện đáng kể cổng đảo SE cải tiến so với cổng đảo SE chưa cải tiến KẾT LUẬN Hiện tượng SR cổng đảo SE cải thiện cách cải tiến cấu trúc cổng đảo SE để có đặc