CN103618542A - 一种基于cnfet的三值反相器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CNFET的三值反相器，包括第一CNFET管、第二CNFET管、第三CNFET管、第四CNFET管、第五CNFET管和第六CNFET管，第二CNFET管的源极、第二CNFET管的基极、第三CNFET管的基极和第六CNFET管的基极分别接入0.9V电压，第三CNFET管的漏极、第四CNFET管的漏极、第五CNFET管的漏极和第六CNFET管的漏极连接，第四CNFET管的源极和第五CNFET管的源极分别接入0.45V电压，第四CNFET管的基极和第五CNFET管的基极分别接入-0.9V电压，第一CNFET管的栅极、第二CNFET管的栅极、第三CNFET管的栅极、第四CNFET管的栅极、第五CNFET管的栅极和第六CNFET管的栅极连接且其连接端为信号输入端，第一CNFET管的漏极、第二CNFET管的漏极、第三CNFET管的源极和第六CNFET管的源极连接，其连接端为信号输出端；优点是功耗较小，且满足我们所需要的中间电平。

Description

一种基于CNFET的三值反相器
技术领域
本发明涉及一种反相器，尤其是涉及一种基于CNFET的三值反相器。 
背景技术
随着集成电路芯片上元件数目的急剧增加，内部有源器件和外部硅芯片的连接变得十分复杂,布线面积也不断变大，多值逻辑的出现为解决这些问题提供了一条新的途径。多值逻辑能增加电路的单线传输信息容量，提高数字电路信息密度，进而减少集成电路芯片面积和引线数目。过多的引脚数目对一些超大规模集成电路产生了严重影响，应用多值逻辑能大量减少外部引脚，提高电路的空间和时间利用率。根据Richards的计算方法，信号的取值数为3是最好的选择。 
目前，制约多值逻辑发展的主要因素是多值逻辑综合电路和多值逻辑标准单元不够成熟，利用原有的场效应晶体管设计多值逻辑电路较为复杂，但随着纳米材料的出现，非有机硅的替代材料和混合材料的应用已经被提出。碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)从20世纪90年代初被发现以来，引起了广泛的关注。碳纳米管与石墨有着类似的电子结构，C-C原子间的共价键通过以sp2杂化轨道形成，具有耐热、防腐和导电等许多优良的性能。由于碳原子和纳米碳管相结合，纳米碳管的尺度、结构和拓扑学因素的不同使得碳纳米管与传统的器件相比极为独特，具有广阔应用前景。准一维结构的碳纳米管比二维和三维的纳米管的自由电子更容易控制，另外碳纳米管可以通过改变结构使其表现成金属特性或者半导体特性，金属特性的碳纳米管比现有的金属导电性能更好，半导体特性的碳纳米管迁移率和跨导性能也十分出众。碳纳米管场效应晶体管（简称CNFET管）是以半导体特性的碳纳米管制成的场效应晶体管，包括P型CNFET管和N型CNFET管，其开关电流比较高，亚阈值特性较为理想，低温下可实现弹道运输和便于大规模集成等优点。近年来CNFET管被逐渐应用到数字电路领域。 
文献Lin Sheng,Kim Yong-Bin,Fabrizio Lombardi.A Novel Cntfet-Based Ternary Logic Gate Design[C].IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems  Conference,2009:435-438（林胜，金勇斌，法布里奇奥隆巴迪.一种新型的基于CNFET的三值逻辑门电路设计[C].电路与系统中西部国际研讨会,2009:435-438.）中公开了一种三值CNFET反相器，在输入IN为逻辑值0时，T6管打开输出OUT=2；当IN为逻辑值2时，T2管打开，输出为0；当IN为逻辑值1时，T1，T3，T4，T5管打开，输出为1，当中T3，T4使它的栅极与漏极相连，相当于一个二极管，这时候T5管有电流通过，但T3，T4管都处于二极管的反相偏置状态，相当于两个阻值较大的电阻连接到T5，与T1之间，由于T3,T4管处于对称，所以它们的二极管反相偏置电阻也一样，这样通过分压得到了输出值为1；但由于在输入逻辑值1时，T3，T4管处于反相偏置状态，电阻阻值较大，这样会产生较大的功耗，另外由二极管的直流特性可知，很难使T3，T4管处于对称状态这样就会使输出逻辑值1，电压为0.45V的输出端OUT产生电压波动，很可能不能满足我们所需要的中间电平，反相器的直流特性曲线也会变差。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种功耗较小，且满足我们所需要的中间电平的基于CNFET的三值反相器。 
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于CNFET的三值反相器，包括第一CNFET管、第二CNFET管、第三CNFET管、第四CNFET管、第五CNFET管和第六CNFET管，所述的第一CNFET管、所述的第三CNFET管和所述的第六CNFET管为N型CNFET管，所述的第二CNFET管、所述的第四CNFET管和所述的第五CNFET管为P型CNFET管，所述的第一CNFET管的阈值电压为0.62V，所述的第二CNFET管的阈值电压为-0.62V，所述的第三CNFET管的阈值电压为0.17V，所述的第四CNFET管的阈值电压为0.17V，所述的第五CNFET管的阈值电压为0.17V，所述的第六CNFET管的阈值电压为-0.17V，所述的第一CNFET管的源极和基极接地，所述的第二CNFET管的源极、所述的第二CNFET管的基极、所述的第三CNFET管的基极和所述的第六CNFET管的基极分别接入0.9V电压，所述的第三CNFET管的漏极、所述的第四CNFET管的漏极、所述的第五CNFET管的漏极和所述的第六CNFET管的漏极连接，所述的第四CNFET管的源极和所述的第五CNFET管的源极分别接入0.45V电压，所述的第四CNFET管的基极和所述的第五CNFET管的基极分别接入-0.9V电压，所述的第一CNFET管的栅极、所述的第二CNFET管的栅极、所 述的第三CNFET管的栅极、所述的第四CNFET管的栅极、所述的第五CNFET管的栅极和所述的第六CNFET管的栅极连接且其连接端为信号输入端，所述的第一CNFET管的漏极、所述的第二CNFET管的漏极、所述的第三CNFET管的源极和所述的第六CNFET管的源极连接，其连接端为信号输出端。 
与现有技术相比，本发明的优点在于通过将第一CNFET管的源极和基极接地，第二CNFET管的源极、第二CNFET管的基极、第三CNFET管的基极和第六CNFET管的基极分别接入0.9V电压，第三CNFET管的漏极、第四CNFET管的漏极、第五CNFET管的漏极和所第六CNFET管的漏极连接，第四CNFET管的源极和第五CNFET管的源极分别接入0.45V电压，第四CNFET管的基极和第五CNFET管的基极分别接入-0.9V电压，第一CNFET管的栅极、第二CNFET管的栅极、第三CNFET管的栅极、第四CNFET管的栅极、第五CNFET管的栅极和第六CNFET管的栅极连接且其连接端为信号输入端，第一CNFET管的漏极、第二CNFET管的漏极、第三CNFET管的源极和第六CNFET管的源极连接，其连接端为信号输出端，逻辑值“0”和逻辑“2”由第一CNFET管和第二CNFET管进行控制，为了获得逻辑输出值“1”,当输入信号x的电压为0.45V时，第三CNFET管和第四CNFET管都处于亚阈值区域,并且第三CNFET管和第四CNFET管的阈值电压较小，这样就有一定大小的漏电流通过，但由于此时的T4管的输入电压为0.45V与标准的CNFET输入电压0.9V小了一半，这会使第三CNFET管和第四CNFET管的阈值电压略微的增大，使得通过第三CNFET管和第四CNFET管的漏电流变小，此时由于第五CNFET管和第六CNFET管的作用，输出信号
Figure DEST_PATH_GDA0000449606300000031
产生了两倍于第三CNFET管和第四CNFET管的漏电流，因此本发明在产生逻辑值“1”时,输出电流增大，延时减小，负载能力也变强，并且本发明中采用了通过增大基极电压来增大漏电流,使得第三CNFET管、第四CNFET管、第五CNFET管和第六CNFET管处于微导通状态，这样就使逻辑电平的产生是通过CNFET管进行传输的，能耗较低且满足我们所需要的中间电平的。 
附图说明
图1为现有技术的三值反相器的电路结构图； 
图2为本发明的三值反相器的电路结构图； 
图3为本发明三值反相器与现有技术三值反相器的直流特性曲线比较图； 
图4为本发明三值反相器与现有技术三值反相器的功耗特性曲线比较图。 
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 
实施例：如图2所示，一种基于CNFET的三值反相器，包括第一CNFET管T1、第二CNFET管T2、第三CNFET管T3、第四CNFET管T4、第五CNFET管T5和第六CNFET管T6，第一CNFET管T1、第三CNFET管T3和第六CNFET管T6为N型CNFET管，第二CNFET管T2、第四CNFET管T4和第五CNFET管T5为P型CNFET管，第一CNFET管T1的阈值电压为0.62V，第二CNFET管T2的阈值电压为-0.62V，第三CNFET管T3的阈值电压为0.17V，第四CNFET管T4的阈值电压为0.17V，第五CNFET管T5的阈值电压为0.17V，第六CNFET管T6的阈值电压为-0.17V，第一CNFET管T1的源极和基极接地，第二CNFET管T2的源极、第二CNFET管T2的基极、第三CNFET管T3的基极和第六CNFET管T6的基极分别接入0.9V电压，第三CNFET管T3的漏极、第四CNFET管T4的漏极、第五CNFET管T5的漏极和第六CNFET管T6的漏极连接，第四CNFET管T4的源极和第五CNFET管T5的源极分别接入0.45V电压，第四CNFET管T4的基极和第五CNFET管T5的基极分别接入-0.9V电压，第一CNFET管T1的栅极、第二CNFET管T2的栅极、第三CNFET管T3的栅极、第四CNFET管T4的栅极、第五CNFET管T5的栅极和第六CNFET管T6的栅极连接且其连接端为信号输入端，接入输入信号x，第一CNFET管T1的漏极、第二CNFET管T2的漏极、第三CNFET管T3的源极和第六CNFET管T6的源极连接，其连接端为信号输出端，输出信号
Figure DEST_PATH_GDA0000449606300000041
利用HSPICE对本发明所设计的电路进行仿真，CNFET等效模型采用32nm工艺下的标准模型，其主要参数为:物理隧道长度Lch=32nm，碳纳米管固有隧道内自由路径长度Lgeff=100nm，将本发明的三值反相器与现有技术三值反相器的直流特性曲线进行比较，两者的直流特性曲线比较图如图3所示。图3中（a）表示现有技术的三值反相器的直流特性曲线，（b）表示本发明的三值反相器的直流特性曲线。从图3中可以看出，本发明的三值反相器相对于现有技术三值反相器，在0.4V和0.6V左右能够实现较快速度的翻转，输出电流增大，延时减小，负载能力也变强，是较为理想的三值反相器。 
将本发明的三值反相器和现有技术三值反相器在同等条件下进行功耗测试，其能耗 曲线图如图4所示，图4中（a）表示现有技术的三值反相器的能耗曲线，图4中（b）表示本发明的三值反相器的能耗曲线。分析图4可知，本发明的基于CNFET的三值反相器产生的能耗较低,相对于现有技术的三值反相器能节省54.9%的能耗。 

Claims (1)

1.一种基于CNFET的三值反相器，其特征在于包括第一CNFET管、第二CNFET管、第三CNFET管、第四CNFET管、第五CNFET管和第六CNFET管，所述的第一CNFET管、所述的第三CNFET管和所述的第六CNFET管为N型CNFET管，所述的第二CNFET管、所述的第四CNFET管和所述的第五CNFET管为P型CNFET管，所述的第一CNFET管的阈值电压为0.62V，所述的第二CNFET管的阈值电压为-0.62V，所述的第三CNFET管的阈值电压为0.17V，所述的第四CNFET管的阈值电压为0.17V，所述的第五CNFET管的阈值电压为0.17V，所述的第六CNFET管的阈值电压为-0.17V，所述的第一CNFET管的源极和基极接地，所述的第二CNFET管的源极、所述的第二CNFET管的基极、所述的第三CNFET管的基极和所述的第六CNFET管的基极分别接入0.9V电压，所述的第三CNFET管的漏极、所述的第四CNFET管的漏极、所述的第五CNFET管的漏极和所述的第六CNFET管的漏极连接，所述的第四CNFET管的源极和所述的第五CNFET管的源极分别接入0.45V电压，所述的第四CNFET管的基极和所述的第五CNFET管的基极分别接入-0.9V电压，所述的第一CNFET管的栅极、所述的第二CNFET管的栅极、所述的第三CNFET管的栅极、所述的第四CNFET管的栅极、所述的第五CNFET管的栅极和所述的第六CNFET管的栅极连接且其连接端为信号输入端，所述的第一CNFET管的漏极、所述的第二CNFET管的漏极、所述的第三CNFET管的源极和所述的第六CNFET管的源极连接，其连接端为信号输出端。
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