nano. Vai trò của chuyển mạch nano, nó được thực hiện nhờ những linh kiện nào. Các linh kiện nano phân tử trong thiết kế máy tính nano
Những vấn đề chung
Thiết kế các mạch và các hệ thống điện tử nano được ràng buộc bởi kích thước rất nhỏ, dòng điện nhỏ kết hợp các chuyển mạch thang phân tử. Các cấu trúc, vật liệu phải đảm bảo độ dẫn, kích thước đủ chịu được dòng điện và tín hiệu khoẻ qua. Các hệ thống như thế phải có kích thước cỡ hàng chục µm2, mở rộng có thể đến hàng chục mm2. Các kích thước này gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần các linh kiện PT. Vì vậy thiết kế các hệ thống này được phân cấp, cấp thấp nhất là các linh kiện.
Một linh kiện PT có một lớp tiếp giáp giữa hai bề mặt kim loại hoặc bán dẫn theo cấu trúc kẹp “Sandwich”. Cấu trúc thang PT này có thể gồm một hoặc một số PT như mô tả trên hình 3-17. Mặt khác, cấu trúc này có thể là một lớp các PT hoặc NT chỉ dày vài nm như trong điôt tiếp giáp dây nano hình 3-18a. Có nhiều đặc tính điện rất quan trọng, chế độ điện của một tiếp giáp dây nano trước hết là đáp ứng dòng điện I với điệp áp V (đặc tuyến vôn-ampe) trên hình 3-18b. Các chế độ đặc tuyến I-V của tiếp giáp gồm: như điện trở vùng điện áp thấp, chỉnh lưu, điện trở vi phân âm (negative differential resistance -NDR) và trễ (hysteretic). Tính trễ thể hiện ở tính đa trạng thái dẫn: độ dẫn cao trạng thái “on”, độ dẫn thấp trạng thái “off”. Các giá trị điện áp ngưỡng để chuyển trang thái được đánh dấu bằng mũi tên trên hình 3-18b. Tính đa dạng của tiếp giáp này rất hữu ích cho việc xây dựng các hệ thống điện tử nano mở rộng.
dây nano
chuyển mạch PT
Hình 3-17 Mảng thanh chéo dây nano với chuyển mạch PT tại các tiếp giáp
Hình 3-18 Chuyển mạch tiếp giáp chỉnh lưu sử dụng thanh chéo nano.
Vai trò của chuyển mạch nano, nó được thực hiện nhờ những linh kiện nào.
Việc phát triển các chuyển mạch thang PT với các chế độ I-V tương ứng là thiết yếu để cấu trúc các mạch chức năng trong các máy tính. Đối với các thành phần lôgic của các hệ thống (bộ xử lý nano) này, thực tế rất quan trọng khi sử dụng các chuyển mạch thang PT để thực hiện hồi phục hoặc khuếch đại các tín hiệu. Đặc điểm quan trọng trong khuếch đại các tín hiệu đó là chúng có thể qua nhiều mức lôgic khác nhau. Các chuyển
mạch nano thực hiện hồi phục hoặc điều khiển các tín hiệu được thực hiện bằng cach sử dụng các tranzito nano, các mạch có kích thước rất nhỏ, các chốt điốt nano. Các tranzito nano thường được chế tạo từ các ống nano các bon hoặc từ các PT nhỏ nhưng dưới điều kiện nhiệt độ cực thấp. Ở nhiệt độ trong phòng, các tranzito nano có thể được chế tạo từ các thanh chéo dây nano. Hình 3-19 là tranzito hiệu ứng trường trên cơ sở dây nano và đặc tính I-V, điện áp ngưỡng để linh kiện này có dòng về 0 khoảng +1,4v.
Hình 3-19 tranzito hiệu ứng trường kênh dẫn P trên cơ sở dây nano và đặc tính I-V
Ngoài ra, để có được khuếch đại hoặc hồi phục tín hiệu tốt, cần đảm bảo các tín hiệu không đi qua các đường dẫn không mong muốn, các mạch, đặc biệt là các mảng thanh chéo. Đối với các bộ chỉnh lưu, dòng điện chỉ qua một hướng trong mạch mà ở đó có thiết kế điện áp làm việc.
Thông tin điện tử nano bắt đầu có hiệu quả từ việc tích hợp các linh kiện nano tiếp giáp hai điện cực và các tranzito nano ba điện cực. Các bước hình thành từ linh kiện đến mức hệ thống như sau: (a) phát triển các hướng chế tạo nano xây dựng số lượng lớn các linh kiện nano tiếp giáp cần thiết với độ chính xác và đồng đều; (b) phát triển các hướng thiết kế mạch và kết nối, kết hợp với các cấu trúc tiếp giáp thành hệ thống mạch mở rộng và (c) xác định các hướng kiến trúc bao gồm thiết kế các mạch kể trên mà có thể hoá giải được các hạn chế trên đặc tính I-V của các linh kiện PT nano.
Một số thách thức tồn tại ở mỗi mức theo các bậc này. Tuy nhiên các thách thức này có thể giảm nhẹ bằng cách phát triển hệ thống máy tính nano theo hai thành phần hệ thống sơ bộ, các bộ nhớ nano và các bộ xử lý nano.
20.Linh kiện và kết nối trong thiết kế máy tính nano
Linh kiện và kết nối
Bộ giải mã sử dụng các linh kiện tranzito trường, cực cổng trên (Top-Gated Nanowire Field Effect Transistor -TGNW-FET), cấu trúc bằng cách ghép chéo dây micro qua dây nano chứa diôxit Silic. Diôxit Silic cách điện giữa dây micro và dây nano, cho phép linh kiện này làm việc như một tranzôt hiệu ứng trường với dây thang micro vai trò cực cửa G. Thay đổi điện áp cực cửa dây micro làm thay đổi dòng kênh dẫn trên dây nano. Cấu trúc và sơ đồ điện (gồm tranzito PFET và các tụ điện) của TGNW-FET biểu diễn trên hình 3-20.
Hỉnh 3-20 Cấu trúc và sơ đồ điện của TGNW-FET
Giải thích đặc tinh I-V của TGNW-FET
Đặc tuyến I-V đo (a) của TGNW-FET kênh dẫn Si loại P và đường cong I-V mô phỏng (b) trên hình 3-21.
vỏ ôxit silic
Hình 3-21 (a) Đặc tuyến I-V đo và (b)đường cong I-V mô phỏng
của TGNW-FET kênh dẫn loại P.
TGNW-FET làm việc như PFET: khi điện áp dương trên cực cửa giảm thì độ dẫn điện kênh dẫn giảm. Các công thức cho mô hình hoá đặc tuyến I-V là biến đổi bậc một các công thức của MOSFET. Biến đổi theo tỷ lệ điện áp và hệ số hiệu chỉnh lỗi, theo thực nghiệm và bản chất vật lý cơ bản.
Các tụ điện biểu hiện điện dung giữa các dây micro và nano, các tụ điện này có ý nghĩa rất quan trọng trong các bộ nhớ nano.
Hình 3-22 Cấu trúc và sơ đồ mạch điện kết nối nano
Kết nối dây nano: Các dây nano hình thành nên các linh kiện đồng thời kết nối các linh
Hình 3-22 là một ví dụ kết nối mạch điện. Đây là mạch điện hình Π, gồm một điện trở và hai tụ điện. Trong cấu trúc nano mạch này là một thanh chéo nano, ghép hai dây nano. Điện trở của thanh chéo xác định giá trị điện trở RNW, điện dung với đế là các tụ CNW.