CN1338120A - 量子规模电子器件及其工作条件 - Google Patents

Abstract

量子规模电子器件包含电极和至少一个由隧道透明间隙使其与电极分开的粒子团。该器件中组成元件的特性尺寸由范围公式1×4r₀决定,其中r₀=h/(m_e(α²c),h为普朗克常数,m_e为电子质量,α=1/137,036为精细结构常数;c为光速。该粒子团可由半导体材料、导体、超导体、高分子物质或隧道透明介质被覆制成。成熟的理论使得有可能设计常规条件和高温下以传递和/或存储若干电子的方式工作的逻辑器件。决定该器件的工作条件。本发明为构建基于本发明的高温超导元件和器件以及无损耗传送电子信号和能量提供基本条件。

Description

量子规模电子器件及其工作条件

技术领域

本发明涉及电子元件和导体领域，尤其涉及具有最小可进入轮廓尺寸、最高速度和最高工作温度的集成电路(IC)多功能电子元件。用基于量子规模谐振效应工作的元件和导体构成二维(平面)和三维电子器件以及IC。该IC设计用于处理和变换模拟和数字信息，并用于无损耗发送电信号和电能量。

背景技术

IC组件趋向于减小规模。然而，IC组件规模减小到小于100nm时，电荷载体开始出现离散性及其量子力学特性，使有源器件(即晶体管)的结构特性受影响。

同时，尺寸小于100nm时，独立晶体管组件实际上是小粒子，即粒子团[1]。粒子团(cluster)规模的减小会形成可设计能控制的电子群甚至1个电子的器件。

已有技术阐述基于单电子隧道通过小规模粒子团的多类型电子器件[2]。该器件的最简单变型是一种模拟场效应半导体晶体管，其漏极和源极之间包含中心内建小粒子团的隔离体。该晶体管一般称为SET(Single ElectronTransistor：单电子晶体管)。

SET器件中内建粒子团的隔离体具有其本身相对基片的电容C_c。资料[2]所揭示效应的核心是粒子团被一个带e电荷的电子隧道通过时，该电子使该粒子团的电位改变ΔU＝e/C_c，并由其电场在其出现在该粒子团期间封锁其他电子通过。这过程中，需要粒子团的电位高于粒子团电容热噪声电位，即：

            ΔU≥2kT/e    (1)式中K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。

例如，半径r_c＝5nm、介质渗透率ε＝11.7的球形硅粒子团具有电容C_c＝4πε_oεr_c，因而根据式(1)，该器件最高工作温度为：

T＝e²/(8πε_oεr_ck)＝143k(-130℃)    (2)式中ε_o是真空介质常数。

此条件表示采用ε_o＜5.6的材料或小规模粒子团，一般具有设计单电子量子器件的可能性，该器件可工作于常温，即290～300K(17～27℃)。然而，考虑独立粒子团作为微电路元件而不考虑晶体管电极的电容，这是没有实际意义的。因此，存在考虑全部寄生电容的问题。

如资料[3]所揭示，有隔离栅极的场半导体晶体管可寄存1个电子。这时，固有晶体管通道的结构不影响上述分析。因此，任何这种器件，包括纳米器件，都需要考虑输入电容C_i和输出电容C_a。这样，根据资料[3]的式(7.36)，式(1)必须增添乘数C_a/C_i，即

C_a/C_i(e/C_c)≥2kT/e    (3)

由该式可知，在栅极或粒子团上有输入控制信号，导体具有可允许尺寸，例如长度为约～1000nm，宽度为约～10nm时，硅基片的导体电容为C_i≈100C_c。因而速度可接受时，器件的工作温度总体上为T＝1.43k(-271.72℃)。正是这个温度，成为多数已知SET器件的极限温度[4-7]。所述这些研究，说明实现高温度单一电子隧道的途径。各研究实际上都利用与资料[2]中所揭示相同的一种方法。例如将小于50nm的金属粒子团置于介质所加二个电极之间[4]，或同样将均为0.634nm的粒子团有规则地分布在介质层上[5]。[6]、[7]中探索设计具有结构规模从0.2nm至100nm的逻辑组件的数字存储器用的各种逻辑器件。同时，文件[2]作为全部上述文件的接近的已有技术解决方案，有原则性错误。具体而言，文件[2]中未考虑无量纲的系数C_a/C_i。结果，文件[2]的错误传播到采用单一隧道原理的多数专利。由于该错误，授予SET器件的大量专利变成属于纯技术文件，不能商用。同时，用技术方法很难纠正该错误，而全部有源元件必须连接电导体，该导体的体积又很难减小到多数有源元件的体积。因此，总是存在电源电极的大寄生电容。实际上，此问题唯一已知的解决方法出现在生物体。例如，动物的脑中有源元件(神经元)之间不是借助无源电导体，而是借助特殊导体(即轴突)传递信息。轴突实际上是有源分布通信线路，即轴突消耗外部能量，以建立传递电脉冲的过程。如果把神经-轴突链路当作最接近的已有技术，则其规模大(微米数量级)和离子型传导性造成的电子脉冲进行慢(每秒、几米)将带来问题。除此以外，此原理可作为本发明的良好已有技术解决方案。脑又是涉及自学习方式的分布计算系统(神经元型)。因此，作为脑组成单元的神经元可当作要求专利的本发明的已有技术逻辑单元。

许多其他研究中[8]，较传统的方法在场晶体管栅极绝缘体中利用内建粒子团。仍由以隧道通过介质(绝缘体)的电子群对所述粒子团进行充电和放电，有可能改变场晶体管的特性，从而建立模拟或数字存储器。然而，这种情况下，电荷存储时间不充分。

由上述专利的介绍显然可知这些专利没有考虑晶体管所接导体的空间电容，当然，这些专利得不到高于液体氦温度的工作温度。

研究[9]相当于常规条件下提高SET器件工作温度方面的某些进步。该作者在间隔50nm距离的3nm厚钛电极之间放置30nm的钛粒子团。粒子团与电极之间的空隙填充隧道透明介质TiOx。在常温下提供小电压0.1～0.7V，从而在电压-电流特性曲线中产生4个N型区。由单电子隧道渡越解释此超常效应。同时，觉察钛氧化物具有ε＝24，另外又考虑粒子团和电极对基片的电容，显然工作温度会充分低于常温。这表明该研究者面临特定介质TiO_x膜超常特性造成的影响。

实际上，全部的介质都或多或少具有非线性区，其比阻率取决于电场强度。该响应的开头部分直到电场强度为10⁴V/cm，比阻率都不变化。由于形成从阱施主释放的额外载流子，比阻率又下降[10，c.264]。如果介质是高分子化合物，电流就沿球粒(即长分子形成的某些通道)通过。电场强度超过10⁵～10⁶V/cm，一般引起介质不可逆的击穿，即直接在击穿路径开始产生物质传递和分子破坏。薄膜介质施主的体积含量不足以形成击穿路径，因而在较大的电场强度产生膜击穿。例如，厚度约15nm的Si₂O₃膜具有8.MV/cm以下的电场强度。如果阱施主充分，介质能存储通过所述路径的电荷。电子技术中广泛利用这种电荷存储能力设计再编程存储器。然而，所述存储器利用大量电子进行工作，在许多能量特性不同的阱累积这些电子。这导致阱不断泄漏电荷，从而改变器件的特性。因此，以单阱工作的纳米器件中不能采用。

更显著的介质非线性特性是介质的雪崩放电。所述放电的功能使输出信号受到限制。此情况下，在例如大间隙半导体中进行放电，而材料无任何破坏，该材料设计成ZnO多层多晶膜。这些膜中晶粒子团的规模为0.2～15.0μm。这些粒子团由厚度2.0～10.0nm的Bi₂O₃隧道透明间隙分隔开[11]。同时这些研究者没有揭示晶粒减小到纳米规模(即小于0.1μm)时膜特性变化的性质。而且该输出信号阻止层缺乏任何放大特性，这限制其应用领域。

众所周知，具有N型和S型特性的各类组件可对信号进行放大和非线性变换。普通常识是N型特性出现在形成电子跌落域的器件。S型特性的出现则通常是由于产生电流路径[12、13]。然而，所提供的非线性元件特性作为规律是从微米和较大规模样品得出的，不能机械地将该特性用于纳米规模的样品。此外，这些非线性特性仅专门用于二个电极的器件，限制其在纳米电子

技术领域的应用。

重要类型的非线性特性是基于超导体中约瑟夫森效应的迟滞环和类似的迟滞特性[14]。然而基于约瑟夫森效应和其他超导体与半导体、超导体与金属等等之间的隧道效应的器件，由施加的电流或施加的磁场进行控制。约瑟夫森器件控制电流源的设计要求相当高的电压，导致总能量损耗。此外，施加磁场的引入需要利用光刻制板制作的线圈或环路，使该方法规模庞大。可提供用于约瑟夫森器件的超导体具有不超过-182℃的临界温度，要用致冷器，因而器件总的尺寸扩大。以上各点使这些器件用于纳米电子设备成问题。

类似的非线性特性具有一些半导体[15]或金属-半导体状态跃迁(MSPT)[16]材料的非晶态膜和多晶膜，其中的MSPT基于高分子有机半导体(BEDT-TTF)mXn[17]或基于分子单电子晶体管形式的硬脂酸Lengmurr-Blodgett膜[18]。这时，由正交针CTM控制带有内建纳米规模粒子团的Lengmurr膜中电子通过的过程[18]。当然，此几何结构使控制电极针的电容实质上小于式(3)的电容，允许在常温、低速下观察量子的效应。然而，基片加控制电极时，该电容增大，因而该器件以可接受的速度只能低温工作。这样，该专利要求一种模型的权利，但在传统CTM模型上进行说明高温工作的测量。

具有带迟滞环特性的组件可存储信息，即用于设计存储单元。借助电流记录该存储单元中的信息。还存在磁性材料的迟滞特性，可同样用于设计存储单元。可利用附加外磁场记录这些单元中的信息。例如，资料[19]报告一种单粒子团写入信息的不同系统，其方法是利用PbTe-EuTe-PbTe系统中纳米厚磁半导体膜内光子的动作，使电子自旋翻转。

诸如SmCo等优良磁材料具有存储5J/mole以下能量的磁场。该材料热力学分析表明满足常温下信息存储一年以上的可行要求的磁粒子团，其最小规模为100nm以上。资料[19]的器件实际上受这些尺寸的限制。因此，磁性材料也不是纳米规模器件所期望的。

另一种设计有源纳米规模量子器件[12]基于制作一种类原子器件-按照超晶格工艺用半导体制成球状超原子。这里，超晶格的球状层围绕规模为3～10nm的核。该粒子团的总直径为71nm。器件的电子沿围绕电核的超晶格表而移动。然而，该“壳层”中的电子约束能为约～1meV，相应要求有液体氦的温度。因此，所述设计常温电子纳米器件的方法不是将来有前途的技术。

上述例子中，仅有金属-半导体状态跃迁(MSPT)得到近似描述非线性S型电压-电流曲线的公理理论的支持。此理论基于热力不稳定性和因晶结构变化而存在于金属-半导体转换点的迟滞性。MSPT时，S特性器件中，再晶化的全部热处理过程持续进行，使得这些过程没有希望用于微电子设备，纳米电子设备中也是这样。

用于有源纳米电子元件的非线性特性，其优点通常为减小品件尺寸。例如位于电极间的介质的厚度减小到8nm以下时，电极之间建立隧道电流[12，P.93]。此电流被说成由于电子可能从隧道通过预定形式的能量屏障而产生。然而，概率法不能说明1～300mV小电压时在该屏障上产生的大量异常性[13，P.371]。此外，任何理论未证明该屏障的临界尺寸为8nm。

在高度掺杂半导体二极管(即隧道二极管)中建立N型特性。用半导体中的载流子从隧道通过p-n结说明此特性。该二极管中经受电压的p-n结标称宽度为10～15nm，电子的de Broglie(德布罗意)波长为3nm以下。这时，按照经典理论不应观察到隧道效应[20，p.349]。实际上，隧道半导体二极管的电压-电流曲线具有一谷，属于p-n结栅极的半导体的振动量子和光子与载流子交互作用时出现的隧道电流。然而，这种情况下没有可用的模型能说明诸如电压-电流曲线谷中剩余的存储电流和该结增加掺杂带来的电压-电流曲线上升一突出部分之类的电压-电流曲线异常和其他异常[13]。

本节中表明，考虑各种附加因数的SET器件和其他非线性器件，当前可提供的模型不允指望，从而不允设计高温逻辑电路。用热力学模型进行计算，由于仅可计算器件的特定速度而产生大问题。说明N特性电子隧道渡越的已知模型不能表达电压-电流曲线的大量特性，因而不可决定纳米规模器件的设计要求。

按照量子规模电子器件设计集成电路时，也面临单一微电路部件电流交叉耦合的问题，即形成某种量子规模变换器的问题。

因此，由上述可知，用于设计有源元件的物理原理尚未知。而且，尚未决定器件规模、速度和工作温度的物理极限。

发明背景

实际上，固态物理学和普通物理学的根本问题一般是缺少适合实验数据的基础粒子模型。因此将普通电子表示为带均匀电荷的球体、集中在球壳上的电荷或以电荷或物质概率密度为特征的空间中某种形式的扩散。这种情况下，假设电子的尺寸以其传统半径描述，该尺寸接近原子核半径。电子经典半径的值接近“自由”电子散射实验中取得的值。然而，从未进行紧缩物质中的测量电子半径的直接实验。因此，金属和半导体的理论模型一般采用电子的传统半径值或其de Broglie概率波的尺寸。然而，采用这些模型时，不能准确说明储如电传导性、热传导性、电子热容量、超导性之类材料的主要特性和其它特性。具体而言，为了说明实验数据的特征，半导体物理学一般采用一套有大量参数性系数的独立物理理论。新器件的试行计算揭示计算所得数据很少与实验数据相符。由此可知，这些模型不适合、因而不可建立具新特性的新器件。因此，使纳米电子学和纳米技术领域的进步减慢。可认为此危机受固体中所存在原电子形状和尺寸的错误表示制约。

因此，只有通过采用较准确的量子力学模型和建立在其基础上优化特大规模集成电路器件工作条件的新方法，才有可能产生常温处理信息用的特大规模集成电路器件(约10⁹个有源元件)。

所提出的申请首先考新的环形电子模型，此模型可准确描述已知但过去以错误方式处理的一些实验真相，并预测新的效应，在其基础上可产生新的量子规模电子器件。

实质上，所提专利申请利用物理领域，尤其是电子物理学和紧缩物质物理学领域的发现。该发明的实质是从微对象到宏对象的量子力学判定性方法。该发现的一部分已作为专利申请提出。由于该理论未公开发表，实际上可能在审查该申请时产生某些困难。从该理论可得出新一类能申请专利的器件。同时该理论涉及量子宏系统的不具专利性部分已在文件[21]发表。该文件的理论数据和实际数据非常精确地一致。此事实突出该理论的高可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提高量子规模器件工作温度，以控制一两个或多个电子通过在最小可容许尺寸具有非常高可访问速度的量子规模器件。该器件可用二维和三维工艺制作。

实验真相的理论调研和分析导致设计紧缩媒体中电子交互作用模型。此模型相当准确符合实验真相。根据所述模型，紧缩媒体中，电子可处于某些稳定态，它们具有能量最小和与媒体中原子交互作用的小轮廓。

后面的本发明的说明中揭示紧缩媒体内电子交互作用机理的理论模型和本发明较佳实施例。

当前，提高器件工作温度的唯一方法是减小器件中基片和特定物质的电子与短波振动量子和红外光子交互作用的截面。

同时，公知的是自由电子交互作用的截面接近其传统半径 。紧缩媒体中，γ量子对电子的康普顿(Compton)散射的截面给出电子半径

，氢原子散射截面等于波尔(Bohr)半径

。这里，

是布朗克常数；α＝1/137.036，为精细结构常数；m_e为自由电子质量，c为光速。

微分几何学教导可分解任何空间成嵌入环面(锚环)或嵌入球面(特定环面的情况下)[21]。设选择以环面分解空间的步骤。又假定紧缩媒体中电子波的最大长度为：在所述波长和波速α²c时，电子具有紧缩媒体中最小的能量。此假设基本上符合开尔文在19世纪提出的原思想。开尔文假设电子是涡流。de Broglie(1924年)又与其合作一起发展了此模型[22]。其他作者用相同的模型将电子表示为环面[23、24]。然而，这些模型中环面大半径的长度小于其康普顿半径r₂＝α²r_o，而环面小半径趋于零。

让我们通过引入等于r_o的大环面半径，并限制小环面半径为传统电子半径r₁＝α³r_o，扩展此模型。此形态为可使矢量域每点非单一的唯一面向闭合的二维表面。微分几何表明，没有其他拓扑可使具有类似电荷媒体方式的自动作的孤立系统均衡。

考虑上文所述的内容，具有相同分布的电荷e的电子环波可称为“环电子”。非常重要的是由于分布旋转电荷的轴对称，该环不发射电磁波，也不发射重力波，即具有绝对稳定性。

尽管波尔模型中电子表示为围绕原子核的点电荷或萨定格(Schroedinger)模型中表示为某种电荷分布率，必须通过引入电子不发射电磁波的分立能量级假设电荷稳定。在本发明的情况下电子的稳定性是其几何状态自动条件。

下文提供上述处理电子规模和形式的正确性的实验证明。

在各种紧缩媒体中产生量子规模的效应，例如低温时半导体薄层中的量子霍效应[25]。这里，Landau能级的允许状态密度等于磁流量子密度n₄＝1/2πr₄ ²，其中r₄≈7nm，称为磁长度，与最低Landau级的电子轨道半径离散相关，即这里将电子表示为类似环的波，环间隔 。这些环按顺序位于一个平面。

常温下，记录到特性结构，其规模取决于电子环的大小。0.1M HCl电解质中二个平面机械交互作用时，出现该结构。此结构具有约7.5nm的规模[26，p.170]。而且，异常刚硬。在一些实验中，观察到通常在物质从液态变为固态的初始阶段，出现相同规模和刚度的结构[27]。

所提出半径为r_o的电子模型能以相当简单的方法解释金属-介质结中出现的异常效应，无需参考概率模型。如果设想电子是半径r_o的某种环，则该环可方便地与小规模(例如小于8nm)的势阱交叉。这种非常简单的解释有根本的意义，即与视作某种空间概率分布密度的粒子无关。这时，不需要具有对任何势垒的粒子隧道渡越。

采用环电子模型，可说明隧道半导体二极管电流-电压曲线的全部主要特性。可设想在特定高掺杂半导体过饱和固液中可形成半径r_o的粒子团。此粒子团起核的作用，周围环绕的是低掺杂半导体溶剂化合物球面，即具有厚度在r_o以下的隧道透明单层或多层球面的一种伪原子。结果，产生总直径为d≈4r_o≈29nm的体结构。利用这种结构，有可能形成一种电子环，在球面与完全围绕该核的核表面之间运动。一旦形成，电子即可具有电流环形状，其特性可计算。

常识上是带电荷e且半径为r_o的小电流环在X轴产生电场和磁场，因而[28]：

E＝(ex/4πε_o)(r_o ²+x²)^-3/2    (5)

H＝(Ir_o ²/2)(r_o ²+x²)^-3/2       (6)式中I=α²ec/2πr_o，为环电流。由该表达式可知，X轴上距离环中心 处，E场具有最大电势，H场没有最大特性。因而距离环中心≤

处，其他自由电子会被静电吸引到该环。此外，在该环横截平面中心，电场强度等于零。由此，在该环的中心形成势阱，其底点上与点电荷交互作用的能量等于零。在晶体内通过电子的过程中，电子势阱内出现晶格芯的一些离子。这使离子与环电子交互作用的能量至少降低≤α/2π。这种情况下，环电子与全部其他外围电荷的交互作用主要取决于该环外切方形以外的静电场部分。可示出该静电场的值为约αe。

如果环置入外磁场B中，则其运行频率为ω_e＝Bαe/m_e。由该式可知，有效电子质量为m^*＝137.036m_e。因此，可把与离子点阵(包含振动量子或红外光子)波动交互作用的电子截面减小当作电子有效质量的增加，从而振动量子(或IR光子)对其提供的空间偏移减小。交互作用截面的减小也可解释为点阵电荷与特定电子之间的哥伦布(Coulumb)交互作用减小到原来的1/αe。结果，电子对其通过的介质的特性似乎没有“感觉”。

存在重电子的显著证明是具有f电子系统的超导体。例如，对UBe₁₃Upt₃型的系统而言，m^*≌137m_e[29]。注意对半导体，m^*＜m_e；对金属，m^*≌m_e。常温下，有可能找到重电子系统。例如，具有VO₂型金属-半导体态结的材料中，有效电子质量为m^*≌60m_e[16，p.33]。

因此，充分发现所提紧缩态电子环理论模型的有效性，并受到独立试验支持。然而，仅在特定外界作用下才可出现该电子，外界作用的例子有温度、作用大的外场和其他瞬变过程。由于此事实，在静止状态下通过记录半导体中电子质量的标准测量不能指示该现象。

在脉冲照明半导体时，半导体中出现一种非静止状态。据此，形成束缚态电子空穴，即激子。这些激子常用半径r₅＝εr₃/m₅ ^*(m₅ ^*为等效激子质量)的波尔模型进行说明。然而，乘数ε/m₅ ^*可利用电子环模型的提供。随着与晶格交互作用的电子环截面减小因子αe，则ε≈1，且m₃ ^*≈m_e/α。因而，激子的半径r₅不会大于r_o。由此，激子的能量不会超过(α/2π)W₃＝15.8meV，其中W₃＝m_e(αc)²/2，即波尔原子主级能量。这时，电子三维缩合成激子滴，应具有的浓度。最浓的滴出现在Si。这些滴具有N₅＝(3.0÷3.37)×10¹⁸cm^-3，且激子约束为滴的能量为W₅＝8.2meV，完全符合上述极限并与[30]中所述实验数据一致。

半径为r_o左右的大激子一般称为Wannier-Mott激子。实验数据表明激子大小减小到0.1～1.0nm时，转换成Frenckel激子[30]。这时，半径r_o的电子环就会逐步增加到原子帧点阵周期的规模，并且环速度增加到费米表面速度左右。费米表面上，电子具有最大速度值。该值小于αc的幅度。

因此，所提出的电子环理论模型可提供紧缩媒体中出现的多数时变非线性过程的新说明方法，而不用任何概率模型。

由以上分析可知，借助外界作用和/或作媒体纳米结构化，某些材料可引发形成电子环的条件。由此，为纳米电子器件的工作提供谐振条件，这些条件使该器件可在常温或高温下工作。根据进一步的说明和所附权利要求，此模型成为设计具有新工作模式的一些新器件的基础。

具体实施例

根据本发明一实施例，量子规模电子器件包含电极、至少一个粒子团和隧道透明层，其特征在于该粒子团至少具有根据下式决定的一种独特规模：

r＝a.r_o其中r_o为电子波(环)半径，其表达式为：

其中 为普朗克常数，m_e为电子质量，α为精细结构常数＝1/137036，C为光速，a为系数，其规定范围为：

         1≤a≤4。

据此，该隧道透明层厚度在r_o以下，电极间的距离也在r_o以下。

根据本发明，可由金属、半导体、超导体、高分子有机材料做成粒子团。此外，该粒子团可做成具有隧道透明层形式的外壳的内腔。

一些实施例中，粒子团不仅具有球状，而且具有中心对称状。

粒子团的中心对称可产生二维和三维逻辑结构和模拟结构。因此，基于该粒子团的器件，其工作温度与谐振器的Q因数成正比升高，并且可高到粒子团原材料的破坏温度。隧道透明壳中的腔起该种谐振腔的作用。这时，该腔可填充气体和上述材料。以下揭示谐振腔参数的计算和基于该谐振腔的器件的工作条件。

另一实施例中，粒子团可具有轴对称状，还可使其延伸，并具有下式决定的独特截面大小：

      d＝br_o，    2≤b≤4

又一实施例中，延伸的粒子团可具有沿其轴的规则结构，其周期由下式决定：

        τ＝br_o，    1≤b≤4

根据本发明进一步的发展，至少可在一层有规划地安排多个粒子团，粒子团之间的间隙应隧道透明且为r_o以下。

显然，延伸的轴对称粒子团由于具有模断面尺寸，可建立电子的谐振条件。同时，与中心对称结构不同，轴对称粒子团较便利用于平面单层设计。实际上，平面工艺是电子工业的一种领先技术。介质膜和半导体膜中构建规则沟道的工艺得到足够完善的设计。因此，可非常简便地产生轴对称粒子团之间的隧道透明间隙。这些工艺可作为将来三维工艺的过渡步骤。

中心对称粒子团和轴对称粒子团构成的层实际上是有源媒体。在某些条件(提供外电场时)下，电荷的波可在这种媒体中传播。类似于脑皮层中沿轴突传送神经元电脉。

与有源媒体一起，粒子团如果连接二个或多个电极，可用作独立电子器件。这时，需要这些电极寄生电容(尺寸)最小。当然，如果粒子团连接二个电极，就起特殊二极管的作用。如果粒子团连接在三个或多个电极，则起特殊晶体管的作用，等等。

因此，粒子团至少应连接二个电极，其中一个为控制电极。

粒子团也可至少连接三个电极，其中至少一个为控制电极。

粒子团所制作的电子器件的参数不仅取决于其尺寸，而且取决于其所连接电极的材料的电特性。这是因为电子的尺寸及其在电极中的移动机构与电子在其中传播的媒体的参数、该媒体的尺寸、外电场和温度等密切相关。显然，电子通过粒子团的移动过程中，由电极中所出现电子(控制电子)的场控制该电子时，场的相关性非常重要。这种情况下意味着那些电子具有确定性(非概率性)结构。此外，重要的要素是电子从输入电极发射进入粒子团的形式。因此，器件的特性一般依赖于粒子团的材料和规模，还取决于电极的材料和规模。

根据本发明进一步的发展，可由导体和/或半导体和/或超导体和/或传导有机材料制成电极。

可将粒子团联合成组，形成一维和/或二维和/或三维结构。

可利用分立电极的相互定位和分立电极的形状将粒子团安排成组。

本发明又一实施例中，可将粒子团安排成连接相应电极的孤立空间组。

鉴于减小电极尺寸的处理中，环电子趋于脱离电极或卷成较小尺寸，电极尺寸应受到某些临界值的限制。

使用超导体制成的电极时，电极截面大小受下式限制：d≥2r_o。

根据另一实施例，由具有MSPT且截面大小为d≥2r_o的材料制成电极。

采用由导体制成的电极时，电极截面尺寸限制为d≥r_o。这中情况下，导体的电阻率应不小于10^-3Ω.cm。

将粒子团或粒子团群组合为矩阵，以形成计算机的随机存取存储器、视像电信号的变换器，并作一些其他用途。

每一粒子团可连接至少二个控制电极，这种粒子团组形成存储单元阵。

二个控制电极也可连接至少二个或多个粒子团，这种粒子团组形成存储单元阵，甚至在无供电时也能存储信息。

为了基于粒子团或整个粒子团组的有源存储单元能在最佳电状态下工作，这些单元通过专门建立的无源电阻型负载或类似粒子团形式的非线性元件连接电源电极。

因此，粒子团可通过电阻层或粒子团(非线性)层连接电源电极。采用非线性负载，可方便地形成具存储器的逻辑单元。

可根据具有电阻负载或原粒子团形式的非线性负载的粒子团组，建立每一逻辑单元。要注意的一重要点是在这种情况下，电极因直接接触存储单元而不存在，或者因排列靠近存储单元而尺寸减至最小，所以驱动电极和电源电极的寄生电容实际上对存储单元温度参数影响不大。借助预先配置电源电极或控制电极的结构，可使存储单元增加额外功能。这点使器件的设计过程大为简化。

根据一实施例，二个或多个粒子团连接电源电极，安排成为一层直接相互接触的粒子团的形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输出电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成“或”逻辑单元的输出。

根据另一实施例，二个或多个粒子团安排成为一维串联链形式的组，所述链的偶数单元通过电阻层连接第一电源电极，其奇数单元则通过电阻层连接第二电源电极，从而形成逻辑移位寄存器。

可用直接接触和借助电极连在一起的方法安排粒子团和粒子团组。

一实施例中，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个粒子团或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。该解决方案可使器件设计相当简单，并在此基础上制成各种逻辑单元。

另一变形例中，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方面一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

这种情况下，电极尺寸随方向的变化可形成电子环移动方向上其性能的不对称。此解决方案可提供信号单向移动设计，并在此基础上简化器件制作工艺。

如果通过电阻层将粒子团连接电源电压，并将该电源点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，则可进行逻辑反相操作。

可将二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过隧道透明间隙对连接其他离子团的第二电极提供第二输入电压，同时每一粒子团中电阻元件的一些连接点连在一起，电阻元件的其他连接点接到输出电极，从而形成二个信号的模拟比较器的输出，这时，可进行二个信号的模拟比较。

可将二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，并将其连接点接到输出电极。这时，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，并且第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团。这种情况下，所述二个粒子团形成双稳态触发电路。

可将二个或多个粒子团通过电阻层连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成神经元型逻辑元件-加权加法器。

又一改进是：一个或多个粒子团通过至少一个附加粒子团层连接电源电极。这时，该附加层起负载的作用，从而即使在电源阻断时，也能存储初始状态。

可将二个或多个粒子团连接电源电极，并且连在一起成为一层直接接触粒子团形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成带存储器的“或”逻辑单元的输出。

可将二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一单层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，此外输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个电极。这种电路可起带存储器的信号放大器的作用。

可将二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一单层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，此外输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。这种电路可起带存储器的信号放大器的作用。这时，逐渐缩小的电极提供信号传递的方向性和输入和输出之间交叉耦合。

可将一个或多个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成神经元型逻辑元件一带存储器的加权加法器。

可执行一种重要逻辑操作，只要粒子团通过附加粒子团连接电源电压，连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，从而形成带存储器的反相逻辑单元。

又一实施例中，二个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接另一粒子团的第二电极提供第二输入电压，各粒子团的电阻元件的一些连接点连在一起，并且通过该电阻元件连接电源电极，附加粒子团的其他连接点连接输出电极，从而成为带存储器的双信号模拟比较器的输出。

再一改进是：二个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团，从而形成带存储器的双稳态触发器。

在粒子团制成的膜上敷设例如薄片状等特定结构的电极时，粒子团中散发的电子波可用于记录信息或读出信息。即，此过程的进行类似于人脑轴突激励波的传播。这类器件可用于从光敏膜读出图像信息或在例如显示器上再现图像信息。这时，由于自动扫描，不需要矩阵控制读出元件或再现元件，即发光体或其他光激励材料。

如果将一个或多个粒子团层连接至少二个控制电极，其中至少一个控制电极为光透明，并且粒子团之间的间隔填充光敏半导体，则形成光控存储媒体。这时，电极可为分布电极，并可利用激光实现对存储单元的查阅。可在激光光盘中利用这种媒体。

本发明的其他实施例包括将一个或多个粒子团层连接至少二个电极，其中至少一个电极为光透明，并且在粒子团的间隙填充光激励材料，从而形成显示屏幕。

本发明又一实施例包括将一个或多个粒子团层连接至少二个电极，其中至少一个电极为对电子透明的栅极，并且在粒子团的间隔填充电子在真空中逸出功低的材料，从而形成电子源。

实际上，由粒子团构成并置于电极之间的层是分布器件。这种结构中，电场的能转换成电子移动的波。当该波在约束空间传播时，可对其运动设置谐振条件。因此，可形成高频发生器。

根据此改进，一层或多层粒子团连接至少二个做成谐振器形式的分布电极，从而形成高频发生器，其最大截止频率由下式决定：。

由于谐振单元实际上是量子器件，其参数由通用常数决定。因此有可能制成参考电压源。

又一改进中，一个或多个粒子团通过直接接触加以组合，或通过电极连在一起后，连接电压电源，并且至少一个连接点接到输出电极，从而可形成标准电压源，其电压大小由下式决定：U＝nα³c²m_e/2e，其中n为串联连接的粒子团数。

为了得到上述粒子团构成的数器件的期望特性，需要通过选择电源电压(电场强度)和工作温度，正确设定其工作条件。

器件工作过程的特征在于，一个粒子团的电场控制强度，其大小规定在以下范围内：E_min≤E≤E_max，其中，

E_max＝E_min/4πα。

上述器件工作过程的特征又在于，可用连续电源和脉冲电源。

根据本发明的其他类型电子器件还包括以下改进。

有许多材料具有奇异的电物理性能。这些材料中电子具有最小能量，即具有接近环的形状。采用这些材料可扩充各种已形成的电子器件，并简化其设计过程。然而，需要考虑器件尺寸减小到其值小于环电子的尺寸会导致器件性能劣化。这些器件对控制电极和电源电极的要求类似于上述条件。实际上，该器件的设计与上文所述相同，因而以下说明中不再解释。

一种量子规模电子器件，包含电极和位于电极之间的具有MSPT的材料层，该具有MSPT的材料层制成粒子团状，其截面尺寸根据下式决定：r＝ar_o，其中a为规定范围2≤a≤4中的系数，电极间的距离在r_o以上。

本发明的进一步改进包括：粒子团连接电源电极和至少一个负载，并通过隧道透明间隙连接一个或多个控制电极，隧道透明间隙的厚度不超过r_o，电极间的距离不小于r_o。

超导体或具MSPT的材料制成的电极可具有以下所示截面尺寸：d≥2r_o。

如果电极由导体制成，其截面尺寸根据准则d≥2r_o决定。因此，电阻率应在10^-3Ωcm以下。

该粒子团可通过至少一个电阻层连接电源电极。

这种层可连接二个或多个粒子团，该二个或多个粒子团连接电源电极，综合为一层直接相互接触的粒子团的形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输出电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成“或”逻辑单元的输出。

又进一步的改进包括：二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个粒子团或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。这种电路可起信号放大器的作用。

在传递单向信号的情况下，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。这种电中可起带有交叉耦合的信号放大器的作用。

如果通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，该粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，则形成“非”逻辑单元的输出。

为了进行二个信号模拟比较的操作，可将二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过隧道透明间隙对连接其他离子团的第二电极提供第二输入电压，每一粒子团中电阻元件的一些连接点连在一起，电阻元件的其他连接点接到输出电极，从而形成二个信号的模拟比较器的输出。

制作本发明的又一器件，使二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明层连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明层连接第一粒子团，从而形成双稳态触发器。

本发明的又一发展变形包括：可将一个或多个粒子团通过电阻层连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成神经元型逻辑元件一加权加法器。

进一步的改进包括：将二个或多个粒子团连接至少二个控制电极，并且粒子团的间隔填充光敏半导体，从而一组这样的粒子团形成一个光敏矩阵。

这种情况下，当器件的工作温度低于金属-半导体状态跃迁温度时，对光电信号进行存储。

本发明别的实施例包括：将一个或多个粒子团层连接至少二个电极，其中至少一个电极为光透明，粒子团的间隙填充光激励材料，从而形成显示屏幕。

本发明又一实施例包括：将一个或多个离子团层连接至少二个电极，其中至少一个电极为对电子透明的栅极，粒子团的间隔填充电子在真空中逸出功低的材料，从而形成电子源。

如果一个或多个粒子团层连接至少二个做成谐振器形式的分布电极，则形成高频谐振器，其最大截止频率根据下式决定：f≤m_eα⁴c²/h

含具有MSPT的材料所制成的粒子团的器件，其工作过程包括通过至少一个粒子团传送电流，其特点为通过粒子团的电流密度受下式的值限制：

             j≤4πem_e ³α⁸c⁴/h³

如果粒子团中采用具有高于器件工作温度的金属-半导体状态跃迁温度的材料，则根据本发明，需要提供的每一粒子团电场强度为：

粒子团中采用比器件工作温度低的金属-半导体状态跃迁温度的材料时，上述条件可任选。

对光敏矩阵而言，工作过程包括通过至少一个粒子团传递电流，其特点为粒子团中采用具有比器件工作温度高的金属-半导体状态跃迁温度的材料。

为了减小电子器件和集成电路的比功耗，实际采用工作在常温(室温)以上的超导材料。环电子的特定配对方式会使振动量子与晶格的交互作用瓦解，该方式规定此类材料的超导性。此类材料的电流电压特性与具有半导体-金属状态跃迁的材料的电流电压特性相反。因此，温度增加到临界温度以上时，超导体变换为普通半导体或导体。超过临界温度，则具有半导体-金属状态跃迁的材料变换成金属导体。然而，其电阻能保持到最后，因为环电子中振动量子与晶格交互作用的机构没有完全消失。然而，基于超导材料的基本设计要求类似于上述基于半导体-金属状态跃迁材料的要求。这时，仍要求电极和粒子团的尺寸不能小于环电子直径。

本发明实施例的进一步变形包括：一种量子级电子器件，包含电极和至少一个位于其间的粒子团，其特点为该粒子团由超导体材料制成，其截面尺寸由下式决定：r＝ar_o，其中a为规定范围2≤a≤4内的系数，电极间的距离在r_o以上。

进一步的改进包括：将该粒子团连接电源电极和至少一个负载，并通过隧道透明间隙连接一个或多个控制电极，该隧道透明间隔的厚度不超过r_o。

该器件另外的特征为电极由超导体或具有MSPT且截面尺寸为d≥2r_o的材料制成。

如果电极由导体制成，则截面尺寸根据准则d≥2r_o决定。因此，电阻率应在10^-3Ωcm以下。

根据改进，可将一个或多个粒子团通过至少一个电阻层连接电源电极。

通过该电阻层，二个或多个粒子团连接电源电极，综合为一层直接相互接触的粒子团的形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成“或”逻辑单元的输出。

进一步的改进包括：二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个粒子团或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。这种电路可用作信号放大器。

为了保证传递有方向的信号，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。这种电路可用作具输入和输出交叉耦合的信号放大器。

如果通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，该粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，从而形成“非”逻辑单元的输出，则形成使输入信号反相的这种重要逻辑单元。

根据另一改进，可将二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过隧道透明间隙对连接其他离子团的第二电极提供第二输入电压，每一粒子团中电阻元件的一些连接点连在一起，电阻元件的其他连接点接到输出电极，从而形成二个信号的比较器电路的输出。

如果二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团，则所述二个粒子团形成双稳态触发器。

进而，可将一个或多个粒子团通过电阻层连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成神经元型逻辑元件-加权比较器。

器件的工作过程取决于所用材料超导状态，交接处临界度所限制的器件工作范围，该温度根据下式决定：Tc＜m_eα³c²/2kπ其中k为波尔兹曼常数。

该变形例所示工作过程，其特点为按以下粒子团上的电场强度进行控制电压作用下的从超导态到常态的变换：E＞m_e ²α²c⁵/2he其中

为普朗克常数。

需要指出上述各器件进一步的优点是：这些器件都工作在常温，并能按单电子和电子组两种情况进行工作。

不同部件的电流交叉耦合是集成电路制作工序中的共同问题。为此，需要制成尺寸与粒子团或粒子团组上所制器件尺寸相称的特殊变换器。

已证实具有半导体-金属状态跃迁的材料、超导体或一些其他材料构成的导体中，电子按照由其环电子构成的链移动。如果将二个这种导体放得足够近，并假设该导体做成部分环电子延伸到导体所限范围的外部，则由于这些电子的库仑场，环电子可相互结合。因此，二个平行导体中电子的移动可同步。此效应可用于设计变量器和电感逻辑元件。

此变形例中，量子规模电子器件包含多个电极，其中至少一个电极由导体、超导体或带有MSPT的材料制成，其特点是该电极具有根据下式决定的截面尺寸：d＝n_d·r_o其中n_d为规定范围1≤n_d≤2范围内的系数。

该器件的特点又在于，在特定截面尺寸面积内，一组电极具有至少一个距离在2r_o以内的邻近区，从而形成直流或交流变量器。

通过改变变量器中导体的间距或该导体的形状，可改变电子的链接系数，从而改变流经导体的电子密度。导体中电子密度改变的效应相当于改变导体末端的电位。因此，这时立即产生恒流或交流的变换，反之亦然。

根据本发明的这种改进，在特定截面尺寸的面积内，二个电极具有至少二个距离在2r_o以内的邻近区，并且直流或交流电流流过电极中的一个，第二个电极则连接负载，从而形成直流或交流变换器。

此外，二个电极具有至少二个距离在2r_o以内的邻近区，特定频率的交流电流流过电极中的一个，而第二个电极具有与所述频率对应的结构并且连接负载，则直流电流流过负载，从而所述器件形成交流至直流变换器。

如果至少一个电极具有周期性从电极的特定尺寸偏离(缩小/扩大)的区域，并具有至少二个距离在2r_o以内的邻近区，至少一个电极连接负载，则该器件形成电流形状变换器。

制作工作在30℃至93.5℃的真正高温超导体是电子学和力能学非常实际的问题。实验证实高温超导性很常出现在制成粒子团(包括微米规模粒子团)的具体材料中。压缩粉末或陶瓷状的粒子团呈现达到常温的高温超导性。然而，这种超导性非常不稳定，迅速消失。所提出的发明可解释超导性机构并制成稳定的高温超导体。

为了提供稳定的超导性，需要电子移动的截面面积的尺寸不小于环电流的直径2r_o。这时，超导性区域的长度规范上不受任何限制。因此可制成长导体-纳米粗的“须”。通过所述导体涂敷保护被覆并将它们组合成软线组件，可制成导线。将这些导线制成环或线圈，可形成能量存储或恒定大磁场。

根据本发明，一种量子规模电子器件包含超导元件。这种情况下，超导元件应具有公式D＝ar_o规定的截面尺寸，式中a为系数，规定为a＞2。

其他改进中，超导材料包含综合成串联链状组并连接电源电极的一或多个粒子团。这时，粒子团的规模应在2r_o以上。

超导材料也可包含综合成一个或多个层状并连接电源电极的一个或多个粒子团。这时粒子团的规模应在2r_o以上。

超导器件可由含施主电子中心的高分子有机材料制成。

超导材料也可制成毛细管状腔体，并带有含施主电子中心的被覆，该腔体的规模在2r_o以内。

超导材料也可制成含施主电子中心的半导体的形式。这时，根据d≤4r_o的要求选择施主电子中心之间的距离。

本发明的一项改进包括：所有列举的超导元件可制成环状或螺旋管状。

高温超导体的工作方法和工作条件如下：导线和其基础上的器件的工作范围受所用材料变换到超导态的临界温度限制。根据下式决定所述温度

T_c＜m_eα³c²/(2kπ)

别的工作条件包括通过至少一个粒子团或导体的电流传送一般受以下电流密度限制

j＜4πem_e ³α⁸c⁴/h³

又一工作条件包括：器件的工作范围受到用材料变换到超导态的临界磁场限制。所述磁场根据下式决定：

附图说明

下面由以下附图中示出的例子说明分项列出的各器件。

图1为球形逻辑单元。

图2为球形逻辑单元中配对环电子的自旋结构(箭头指示环电流的方向)。

图3为圆筒形逻辑单元。

图4为圆筒形逻辑单元中配对环电子的自旋结构。

图5为基于含MSPT的材料的圆筒形逻辑单元。

图6为基于含MSPT的材料的圆筒形逻辑单元中配对环电子的自旋结构。

图7为基于含MSPT的材料的圆筒形逻辑单元的电流对电场强度曲线。

图8为基于超导体的圆筒形逻辑单元，

图9为基于超导体的圆筒形逻辑单元中配对电子的自旋结构。

图10为基于超导体的圆筒形逻辑单元的电流-电压曲线。

图11为球形逻辑单元的实验电流-电压曲线。

图12为半导体中所形成逻辑单元组的实验电流-电压曲线。

图13为基于TiOx的薄膜逻辑单元的电流-电压曲线。

图14为基于球形粒子团的多层逻辑单元的设计。

图15为基于圆筒形粒子团组的逻辑单元的设计。

图16为易失性存储器矩阵。

图17为非易失性存储器矩阵。

图18为控制电阻电极连接接触粒子团组的变形例。

图19为控制电极通过附加粒子团层连接接触粒子团组的变形例。

图20为“或”逻辑单元组。

图21为输出带分支的“或”逻辑单元组。

图22为高功率输出的“或”逻辑单元源组。

图23为带预定信号方向的综合逻辑单元变形例。

图24为带信号传递和分支预定方向的综合逻辑单元变形例。

图25为移位寄存器。

图26为易失性“非”逻辑单元。

图27为非易失性“非”逻辑单元。

图28为非易失性触发器。

图29为模拟信号比较器。

图30为标准电压源。

图31为神经元逻辑单元。

图32为神经元逻辑单元的非易失性加权加法器。

图33为基于具有含有金属-半导体状态跃迁的材料的神经元逻辑单元易失性加权加法器。

图34为变流器。

图35为变换器。

具体实施例

上述器件可分类并说明如下。

谐振电子器件

原理上，可设计任何模拟缺陷，该模拟缺陷可为某种半径r_o且有效品质因素为1/α的环形波谐振器。

图1给出球形逻辑单元。1为粒子团核，2为隧道透明外壳，3、4为电源电极，5、6为控制电极。实际上，核可由金属、半导体、超导体、具有MSPT的材料、高分子有机化合物或仅为空腔(泡)等任何材料制成。主要是核半径具有r_o除得尽的尺寸。粒子团外壳可由任何介质或半导体制成，并具有单层或多层结构。

外壳的厚度一般在r_o以下。所述粒子团能连接电源电极3、4和控制电极5、6。由此，核上可存在不同自旋结构的一个或二个电子。图2示出球形逻辑单元中配对环电子的自旋结构，箭头的方向示出环电流的方向。作为一个例子，图1的单元决定最佳设计特性，这种单元也可用于下文考虑的其他量子规模电子器件。

从速度为α²c的空间环质量运动动力方程求出环电子的热力稳定性。这种情况下，取有效电子质量为m^*＝m_e/α，则环电子可存在的临界温度表达如下：

T_e＝m_e(α²c)²/(2kα)＝1151.86k(878.71℃)    (7)

其特点为有些材料中第一和第二级状态跃迁的温度等于临界温度，例如半导体-金属状态跃迁的上极限为[16，p.4]：MoTe₂中，T≌1053k(780℃)；NbO₂中，T≌1070k(797℃)；FeSi₂中，T≌1123k(850℃)等等。仅ZrO₂例外，其温度为T＝1273÷1443k(1000÷1170℃)，这可能是由于晶体纬度存在二处修正。第二种状态跃迁的上极限接近这温度，例如顺磁态的铁磁体和磁序不规则状态的反铁磁体。

让我们决定一个单元的力能特性。式(5)和(6)示出二个环接近到距离 时，可形成具有以下最大能量的一对环：

W₁＝(8/27)e²/(4πε_or_o)    (8)

具有公共中心的二个环横向正交重叠时，该最大能量为：

W₂＝(1/4)e²/(4πε_or_o)    (9)

结合能W₁对应状态跃迁温度T₁＝W₁/k＝8/27T_e＝341.3k(68.3℃)。此幅值完全符合VO₂中状态跃迁中心略为模糊的实验温度T_n＝340k(67℃)。结合能给V₂O₃系统提供良好的特性。状态跃迁的开始温度为T₂＝1/8T_e＝144k(-129℃)(实验时温度为T＝145k(-128℃)[16])。束缚电子对的能态的改变仅受所乘有理数n＝n₁/n₂的影响，其中n₁、n₂为自然数整数且n₂≠0。改变形成Magneli序列V_nO_2n-1＝V₂O₃+(n-2)VO₂的氧化钒的电子环间距乘数，可高度准确地决定该序列的全部金属-半导体状态跃迁温度。

同样，理论上可决定任何材料的金属-半导体状态跃过温度。

由金属-半导体状态跃迁的理论和实验数据可知，环电子可在其磁矩(自旋)的各种空间结构下，浓缩为滴。与原子中的束缚电子对不同，该束缚电子对仅有四种自旋状态，即↑↑、↓↓、↑↓、↓↑、而环电子可具有附加状态↑→、↑←、↑/等等。此外，这些状态下，一个环可分开压缩为半径较小的环(图2a)或直接压缩为椭圆(图2b)。重要的是二个类环电子最大压缩时，其自旋会导向↑，↓，↓，↑，并且这些环必须变换为具有最大半轴

的椭圆。因此，粒子团核的最大尺寸为

。由此，电子的结构具有垂直相互交叉的椭圆这种形状，并且一个椭圆通过第二椭圆的交点(图2b)。有可能将电子连在一起而不压缩成椭圆，从而得到核的尺寸为d＝2r_o(图2c)。

当然，一对↑→的环的最大尺寸出现在它的同轴交叉d＝3r_o时(图2d)和通过环的平面结合d＝4r_o时(图2f)。通过增加厚度r_o的外壳，可得最大单元尺寸5r_o＝36.26nm。

现决定最小单元的条件。我们允许位于基片上的单元加热到至少为常温这种条件。

资料[1，p.20]中示出，即使尺寸为约2～10nm时，粒子团状态和结构变换也开始不同于固体材料。在尺寸小时，粒子熔解温度下降，其晶结构也变化。同时，会使粒子团在基片表面上的移动性和粒子团物质扩散到大基片的材料的系数加大。为了减小热力欠妥性，即粒子团在高工作温度下熔融，粒子团的原子结合能量或粒子团材料的状态跃迁能量应在5kJ/mol以上。

可从电子环压缩到原来的1/2、1/3、1/4或更小的条件求出限制粒子团最小尺寸的其他准则。即，de Borglie波函数具有二次模和高次模(谐波)。于是，r_o*＝r_o/n，并且在n＝2时，环的直径减小到7.25nm。但如上文所述，电极间距减小到＜8nm时，出现短路“隧道”电流。因此，粒子团尺寸减小到7.25nm以下，控制电极和电源电极的间距减小到7.25nm以下都没有物理意义。

故，7.25nm是纳米电子设备的基本极限。

考虑上述情况，让我们在7.25nm≤d≤36.26nm的范围内选择基本逻辑单元的工作尺寸。

除中心对称结构外，还可设计粒子团的轴对称结构，该结构也具有谐振特性并形成环电子。

图3示出圆筒形逻辑单元的平面变形，其中7为粒子团核，8为隧道透明外壳，9、10为电源电极，11为控制电极。

这里，核(谐振器)起圆筒状通道7的作用，该通道直接构建在起外壳8作用的介质或大间隙半导体中。该通道还可填充金属、半导体、超导体、高分子化合物具MSPT或部分填充剩余气体的材料。电源电极9、10和控制电极11连接该通道。重要的是这些材料抗热并抗化学反应，即可处理。此外，这些材料不应在电子围绕核运动时形成散射一个或二个环电子的额外缺陷。对轴对称单元的尺寸要求，有些不同于对中心对称单元的要求。该单元核的最小直径为2r_o，最大不应超过4r_o。这样的单元可通过最大尺寸在r_o以下的隧道透明间隙相互接触，从而形成与轴平行地并沿该轴延伸的周期性结构。

轴对称结构可具有图2所示垂直自旋(OS)配对电子的形式和平行配对并形成链的形式。图4示出圆筒形逻辑单元中配对环电子的自旋结构。箭头指示环电流的方向。

构造材料的一般要求规定如下。

公知的是过渡金属化合物具有可变的价。Ti、V、Nb、Mo、W之类金属的高氧化物在偏离化学计算时，例如氧缺陷，而不是点缺陷时，形成新的均匀Magneli序列：MnO_2n-1、MnO_3n-1、MnO_3n-2，其中n＝1、2、3…等[16，p48]。此外，所述金属形成在高于常温下具有MSPT的化合物。例如，NbO₂，T_k＝1070k(797℃)；V₃O₅，T_k＝450k(177℃)；Ti₂O₃，T_k＝600k(327℃)；Ti₃O₅，T_k＝448k(175℃)；ZrO₂，T_k＝1273k(1000℃)。因此，这些材料在设计外壳中非常有利。此外，为了设计核，可用具有金属-半导体交界高温特性的其他材料，即MoTe₂，T_k＝1053k(780℃)；FeSi₂，T_k＝1123k(850℃)。

平行自旋电子器件

一些实施例中，可直接利用特定材料的特性，免去产生引起形成环电子的模拟粒子团。例如，带MSPT的材料中自动出现环电子。图5示出基于该材料的基本逻辑单元。此单元中，带MSPT的通道材料12起核的作用，13为隧道透明间隙，14、15为电源电极，16为控制电极。该核一通道的半径在r_o至4r_o的范围内。与前面的情况相同，电极的间距应在r_o以上。这种单元的独特特性是电源电极之间没有隧道透明间隙。这种媒体不能存储信息。然而，通道沿轴的尺寸不受限制，这对例如具有复杂拓扑的集成电路等许多应用有利。

在延伸状轴对称单元的情况下，环电子可形成配对状和↑↑↑↑↑↑…型的链。图6提供基于具MSPT材料的圆筒形逻辑单元中配对环电子的自旋结构。箭头指示环电流的方向。

这种环电子的缩合称为平行自旋缩合(PS)。该链中，独立环电子的间距在

以内。该链进行电源电极14、15(图5)之间的电荷传送。由通过隧道透明介质外壳13连接核通道12的控制电极16对电流进行控制。实际上，这种结构是带相干电子的场晶体管的量子规模模拟。

实验中，以薄膜中场击穿现象的电流丝纳米路径的形式观察该环电子链。该击穿导致形成S形电压-电流曲线，并且有一些技术用途[16、15]。然而，至今所介绍的已有技术中，认为基于热力不稳定性的S形特性曲线形成机构因金属-半导体和半导体-金属跃迁温度上的晶格形变而出现在迟滞环中。但这种解释不能说明低于状态跃迁材料温度的该电流丝路径实验所测的低温。在我们的模型的情况下，根据条件T_e/n决定该丝路径的温度，其中n为形成所述路径的环电子数。因此，参加形成丝路径的环电子越多，其有效温度越低。

已知的技术应用中，一般在带有MSPT的膜上形成高度过渡工作，因而当然使丝路径的温度高于材料状态跃迁的温度。这又导致该材料过热，并且由于温度弛豫而使切换器件的时间增加。

因此，考虑形成电流纳米路径的特点、临界参数和工作条件，可设计一种高速器件，该器件无温度弛豫，并且由于无再晶化和材料的温度击穿，可靠性高。

图7示出基于带有MSPT材料的圆筒形逻辑单元的标准电流/电场强度比曲线。以条件单位示出电流值和场强的大小。E₁为门限强度，U₁＜U₂＜U₃为控制电极16(图5)上的电压。仅在超过场强阈值E₁后，电流才可通过通道。通道“击穿”后由电极16控制通道电流，在图中反映为U值不同的一族特性曲线。如果器件工作于比MSPT高的温度，通道材料就处于金属状态，E₁接近零。但此金属状态不是典型金属，由于环电子的特定结构，该状态不屏蔽控制电极16的电场。因此，该情况可获得对通道电流的有效控制。

反平行自旋电子器件

在规定条件下的某些材料中，环电子以↑↓↑↓↑↓↑……形式的相反自旋配对成链。此状态还可称为反平行自旋状态(APS)。此状态中，满足形成超流态量子液体的全部主要和充分条件：电流和电场的电子脉冲反向，整条链形成空间相干周期性函数。要特别注意的是这种情况下，配对电子以接近光束依靠电磁场相互作用。可在这种材料上形成带迟滞特性的逻辑单元。图8示出基于超导体的圆筒形逻辑单元，其中17为基于超导体的粒子团，18为隧道透明层，19、26为电源电极，21为控制电极。

图9示出基于超导体的圆筒形逻辑单元中配对环电子的自旋结构。箭头指示环电流的方向。

图10示出基于超导体的圆筒逻辑单元的电压-电流特性曲线。以常规单位标注电流大小。I₁为超导体的临界电流，U₁为门限电压。

实质上，此单元重复带有MSPT的材料所制单元的结构。这里，电源电极之间无隧道透明层，并通过厚度在r_o以内的隧道透明层18(图8)控制该单元。虽然通道17的材料为超导状态，由于配对环电子的特定结构，控制电极21的电场也渗透该通道。这时，利用该电场可控制超导体的临界电流，即可获得对超导场晶体管的某种量子规模模拟。由电流源对该单元供电。该单元上的电压降等于0。达到临界电流I₁(点A)时，单元的状态从超导态变为电阻态(点B)。电压进一步增大时，特性曲线保持电阻性。在迟滞环上电压进一步减小时，特性曲线回到原点。如图中所示，所提供的迟滞环完全对应于例如基于细超导体丝[14]的低温技术中广泛应用的超导体器件的电压-电流曲线，尽管还具有借助控制电极控制临界电流的附加功能。

资料[14]中探讨基于超导体器件的大量逻辑单元。由于其工作条件为低温，现在不是主题。根据我们的假设，有可能使这些器件工作于常温，从而提供第二代的这种器件。

当前半导体物理学处于关键状态。所有这些已知的超导性模型都不能预测1980年代发现的高温超导体。所述发现后，投入相当多的力量试图设计超导性新模型，但未找到适当的模型。将进一步考虑这些模型的不正确性。

现代超导理论(例如Bardeen-Cooper-Schrieffer理论)基于远距离配对振动量子动作。然而，这些理论假设借助振动量子的电子交互作用以永恒的速度进行[13，p.287]，即Hamiltonian函数中无延迟乘数。因此，不可能在超导状态决定电子速度。无极限的交互作用速度破坏能量守恒律。

显然，守恒律的破坏暴露该理论的不一致性。因此，根据该理论，不可能预测材料的任何参数及其工作条件。

我们的情况下，电子运动速度受α²C的值的限制，因而符合能量守恒律。

电子自旋一周，会改变系统的能量。APS状态的结合能量比PS状态环电子的结合能量低到后者大小的1/2πn。考虑电子对的电荷为2e，根据式T_c＝2T_e/2πn，从式(7)求出临界温度。我们终于得到求高温半导体临界温度的最后公式：

T_c＝m_e(α²c)²/(2kαπn)    (10)

实验和公式中无任意经验校正因数，这是估价理论所得计算可靠性的准则。式(10)仅包含基本物理常数，并且根据该式进行的计算符合参考试验数据，从而证实所建立模型的高可靠性。式(10)中无晶格的离子质量，此事实表明高温超导体无与晶格交互作用的振动量子机构。

可进入高温超导体的最大临界温度发生在n＝1时，从而形成T_c1＝366.65k(93.5℃)。此温度符合例如基于xCuBr.CuBr₂的粉末状超导体，其实验给出的温度为约365k(92℃)[31]。基于Y-Ba-Cu-O合成物的微米粉末具有约300k(27℃)的临界温度[32]。在许多这类粉末材料中发现相同的效果[33]。氧化聚丙烯膜表面的微米区具有约300k(27℃)的临界温度[34]。

温度n＝2、T_c2＝183.2k(-89.95℃)符合基于C₆₀/Cu(对7/1而言)的粉末(实验给出拖尾跃迁的中心温度为约185k(88℃))[35]。

温度n＝4、T_c4＝91.66k(-181.49℃)符合目前YBa₂Cu₃O₇型高温超导体中发现的大多数超导体。对该陶瓷单晶样品，许多作者报告实验临界度等于91.6k(-181.55℃)[36]。

温度n＝16、T_c16＝22.92k(-250.243℃)符合200nm Nb₂Ge膜的临界温度T_c＝23.2k±0.2k(-250.15℃)[37，p.267]。

温度n＝32、T_c32＝11.46k(-261.69℃)符合大量Y₂C₃，NbC，Nb₃Au型等第二级低温超导体[37]。实质上，上述全部超导体具有一共同特性，即均为环电子的第二级超导体。

因此，引证的数据最好地证明存在环电子。

应注意基于单材料的第一级低温超导体中，与晶格结合的电子不同于上述的电子。然而，这对最子规模器件实际上不重要。进一步公布的资料中，将说明该交互作用的独特性能。

只有在温度T_c1下具有超导性的材料，才对设计纳米电子器件具有实际重要性。制成这种材料，对电力工程中的应用也特别重要。因此，本说明不包含公开该材料制作的技术决窍。然而，根据上述具有高温超导性的粉末材料，可真正制成纳米规模器件及其电源电极和控制电极。

进一步开发大量这种高温超导材料的生长工艺，对力能学中的应用也有特别重要的价值。

逻辑单元性能的选择

一种电子环模型说明OS型、PS型和APS型电子器件。因而，性能分析对所有这些单元都相同。从束缚状态形成环电子能量，即电子从电极和电流源转移到核区所需的能量由下式表示：

αeU_e＝m_e(α²c)²/2＝1,1610^-22J    (11)

该能量对应于U_e＝0.09928V。配对OS状态电子时，该能量等于2U_e＝0.19856V。由于APS状态的电子相互反转π，超导单元的门限电压为U₁＝U_e/π＝0.0316V。此电压符合任何超导体中电子束缚能量门限≤31.6meV。此电压得到例如对YBa₂Cu₃O₇超导体中电子束缚能量约30meV[38]所得实验数据的支持。由于空间分开，APS状态电子对的结合能量对应于有限离散能量级n，即U₁/n。例如，最佳NbN/MgO/NbN超导体器件给出门限电压(能量间隙带值)5.3mV[39]。在本发明的情况下，该电压值对应于n＝6，即31.6mV/6＝5.266V。

电子环的旋转频率为：

f_e＝α²c/2πr_o＝m_e(α²c)²/h＝3.5037 10¹¹Hz    (12)

据此，式中频率符合OS状态和PS状态频率发生器的最高频率。

在提供外场时，电子离开核单元的时间等于其旋转一周的时间，其τ_e＝1/fe，因而流过1个单元的最大电流为：

I_e＝ef_e＝em_e(α²c)²/h＝5.6 10^-8A                  (13)

考虑粒子团的平均半径为≈2r_o，我们求出密集封装单元表面1cm²的电流密度为：

j_e＝I_e/(πr_o ²)＝4πem_e ³α⁸c⁴/h³＝3.4·10⁴A/cm²    (14)可将单元切换到另一状态所需最大单元场强为：单元的电阻为：

R_e＝U_e/I_e＝h/2e²α＝1.768 10⁶Ω                   (16)该值比约瑟夫森电阻大137.036。该环电流的临界磁场为：磁流量等于：

φ_e＝πr_o ²B_e＝h/2e＝φ_o＝2.0678 10^-15wb           (18)准确到磁流量的量子级。

所引证的表达式说明密集物质中临界点(奇异特性)的第一和第二级状态变化。上述表达式示出式中仅包含普通常数，并且决定任何固态材料所制任何高温量子规模电子器件允许的最大特性值。

包含高温超导体的轴对称逻辑单元可作为延伸导体提供。这种超导体可用于传送总容量，也可用于以封闭形式累积总容量或设计螺旋管。

力能学中用的高温材料的基本要求不同于纳米电子学所用该材料的要求。首要的是工作温度高、临界电流和磁场大、可制作、低成本和可利用性。满足这些条件的是基于非晶态和多晶态半导体的材料，其组成部分包括碳、硅、金属氧化物和硫属化合物的氧化物、高分子化合物、纤维。为了取得极限临界温度93.5℃(式(10))，导体的尺寸(电子运动面积)需要在环电子尺寸2r_o＝14.50nm(式(4))以上。

电子运动面积可对应表示为粒子团链，其中粒子团的中心间隔应在4r_o≥□29.0nm以下。

关于超导材料，由于电子不与晶格，而仅与特定缺陷交互作用，电子运动面积中的特定材料基本上不是很重要。校正缺陷的方法是另外的问题。使用无这些缺陷的材料并不难。

重要的是环电子可扩散的自由电子数量在某临界值以下。这意味着材料应为常温半导体，其中包括高分子化合物材料。半导体可为天然半导体和介质、高分子化合物、掺金属蛋白质等等。金属粒子团的间距或环电子运动面积内金属分离原子的间隔应在2r_o以下。粒子团位于 区域时，即环电子能同时到达2个相邻粒子团时，该距离最佳。这种情况下，工艺上相对半导体对称轴散布粒子团，不会产生电子运动区的击穿。

应由被覆保护超导通道，并且其导线组合成组件。这种组件中来自环电子的电流线由于彼此间的电磁交互作用(即洛伦兹力)，相互排斥。为了抵消洛伦兹力，需要采用公知的自旋机构，即Abrikosov缺陷涡保持机构。在本发明情况下，被覆表面趋缺陷功能。

由于环绕超导通道的区域限制平均电流密度，该区域的厚度应小。如果此类半导体满足全部规定的要求，就可得到极限电流密度j_e≤3.4·10⁴A/cm²(式(14))和临界磁场B_e≤12.5T(式(17))。

采用这种缆线可传送约3.4·10⁸～3.4·10⁹W/cm²的能量，并可设计例如用于磁悬浮车辆的电磁铁，该电磁铁的特性对基于已知低温超导体(临界磁场为6～9T)的电磁铁很有竞争性。

如上所述，密集媒体中环电子的最大速度在α²C速度以下。此速度正是最大规模环电子存在的极限。完全可设计载流子速度高于α²C或高于密集材料中最大声速

的电子器件。然而，这种情况下，环电子绕成原子的大小。其能量增大到费米级电子能量，导致电子与晶格交互作用的截面增大到原来的1/α。这当然导致器件过热，因而限制其在超大规模集成电路中的应用。

重要的是通过改变对粒子团提供信号和电源的电极的尺寸或材料，可改变器件的电流-电压特性，使其对特定应用优化。然而，这种情况下，只可能将环电子压缩到较小的尺寸，当然涉及工作温度降低。在许多情况下，为了得到新的电流-电压特性，可牺牲保留温度。然而，任何情况下，导体内载流子的比浓度应足够大，并可根据ρ≤10^-3Ω·cm的条件决定。

为了支持理论数据，设计出两种OS型电子单元。

第一变形例(ZrO₂)

在金属基片上等离子淀积平均中空半径约为r_o、外壳厚度约为r_o/2的中空球体，成为带少量附加元素的单层。结果，得到图1所示单元的模拟。通过扫描隧道显微镜用半径约r_o的针点选择最大直径接近3r_o的球体。根据隧道电流的最大变化决定空腔谐振器最大Q因数1/α。此Q因数符合具有直径2r_o的核的球体。通过改变针电压画出该单元的电压-电流曲线。图11示出球形逻辑单元的实验电压-电流特性曲线，其中22为电阻负载。从0.0V至0.1V(点A)的电压-流曲线起始段对应于单元外壳介质的寄生损耗电流。这是由于显微镜工作在终端湿度的室内氛围和常温下而造成的。得到0.1V电压值时，电流急剧上升(直到点B)，对应于形成围绕核的环电子。电压进一步加大时，由于环电子通过单元电流逐渐增大(线BC)。因此，解绕到最大尺寸的电子恒定地来自基片的金属，并通过隧道透明外壳进入腔体核的区域。进而，环电子通过隧道透明外壳流入显微镜的针，重新解绕成针材料特性决定的尺寸。电流的增加与针上电压的增加成正比。这种情况下，没有控制电极。

针上得到0.2V电压时(点C)，电流跌到由构成单元外壳的介质决定的损耗电流值(点D)。由于0.2eV的能量是形成环电子公用势空穴的门限能量，实际上在电压0.2V处进行2个环电子的正交配对。此参数下，该单元能以0.1V＜U＜0.2V的外界保持电压作为逻辑存储器进行工作(AD段)。用这些参数，该单元除寄生泄漏电流决定的能量外，实际上不消耗能量。

电压增加到0.2V以上时，仍由配对电子(电子滴)决定通过单元的电流，并且该电流以较小的斜率与电压成正比地继续增大。

电压减小到零时，该单元放电，准备再工作。

第二变形例

为了测试逻辑单元在光敏阵工作的可能性，设计出光敏半导体的逻辑单元。

将过渡金属元素的原子具体注入n-Si基片。在浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3和特定退火参数下，所属超饱和溶液中形成核尺寸接近半径r_o的粒子团。然后，用半透明电极覆盖基片的表面，再画出电压-电流曲线。一个电极的面积为100μm²，即将一组粒子团叠在一起的电极。在常温下遮光测试该测量。

图12示出半导体中所形成逻辑单元组的实验电压一电流曲线。其中在0.0V至0.1V段，通过此合成材料流通由该基片半导体Si的暗电流决定的电流。得到0.1V电压时(点A)，出现在粒子团区形成环电子的条件。其有效质量增大，从而使电压-电流曲线斜率减小(AB段)。得到0.2电压时(点B)，出现电子配对的条件，导致电流斜率陡峭(线BC)。进而，电压减小到≈0.11V时(线CD)，电流保持接近恒定。然而，如果电压再增大，则电流会增大，但斜率较小(线DF)。结果，电压-电流曲线上形成闭合轮廓线，即是滞环。由于该Si基片中常温下自由载流子浓度高，该滞环特性不同于图11的滞环。

在特定的控制电压下，该单元可起电流和电荷开关的作用，用于从基片材料读出所存储的光载体。

其他掺杂剂的浓度下，电压-电流曲线可变成N型，即隧道二极管特性(图12的虚线23和24)或完全退化为直线。

与已有技术模拟的比较

上述分析的有效性和实验数据可由市售隧道二极管的独立已知实验数据另外加以证实。

假设对p-n结半导体隧道二极管而言，掺杂剂在粒子团形成环电子的工序在电压峰值点开始。这时，电子可能性沿2e、3e、4e…缩合成滴或丝。已知俄罗斯制各种市售二极管的门限额定电压如下：锗二极管1И104E，U_n≤100mV；砷化镓二极管3И201A，U_n≤200mV，而3И201k，U_n≤330mV。这些数据对应于Un＝nU_e＝99.3mV；198.6nV，298.0mV(分别对应于n＝1，2，3)。

所形成的环电子滴质量会增加到m_n ^*＝nm_e/α，因而电流在b＜1时，会按几何级数律减小，即 $I\≈{\mathrm{\α}}_o\underset{K=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}^k----\left(19\right)$

在锗二极管电子滴规模达到4e和砷化镓二极管电子滴规模为6e时，这些滴开始衰退。由于限制p-n结的规模小于电子丝的长度＜2r_o，出现滴蒸发。因此，b＞1时，下降分支变成上升分支。

通过沿p-n结的空间(体积)统计分布粒子团，校正常温下电流量子级。这些量子级可由隧道波说明该效应所公用的实验函数进行说明。如果假设部分电子未缩合成滴，则其形成的电流部分决定电压-电流曲线谷部过量电流(图12中阴影部分)[13]。

式(12)的有效性支持任何隧道二极管极限额定生成频率在f≤40GHz(1И104E)以下。这符合按照式(12)计算的数据，该计算给出生成频率fc≤350GHz。该工作频率保持到T_e≤1150k(877℃)，完全符合砷化镓二极管的最高工作温度，该二极管在脉冲模式的工作温度可高达870k(597℃)[20]。进而，在该温度下，原二极管的材料劣化，但物理过程本身不破坏。该二极管通过p-n结的总电流密度j～1kA/cm²，符合式(14)。

极限场强度Ee(15)会使隧道p-n结和金属-半导体结中的电子滴蒸发。例如，对V₂O₃而言，场强增加34kV/cm导致状态跃迁温度从145k(-128℃)下降到100k(-173℃)，进而在E＝3Ee＝95kV/cm时，下降到Tc≈0k(-273℃)[16，p.16]。

再一个实验证明可用文件[9]。其作者调研了填充TiO_x的纳米规模单元。因为TiO_x具有高温MSPT(500k～600k[16])。该膜中形成电子对缩合和衰退的条件。这导致电压-电流曲线上形成4个N型段，如图13的线条25所示。该图还示出根据式(19)对b＜1(线条26)和b＞1(线条27)计算所得的相依性。如图中所示，实验数据的门限能量完全符合我们的分析。少量变化涉及到钛电极的厚度均为约2nm，远大于r_o，即环电子相对于运动矢量倾斜的事实。

存储器单元是任何逻辑数学电路的一种重要结构。记住环电子交互作用的特点(图2)，可对其进行设计。为了建立稳定的逻辑状态，需要最小的二个环电子，因为这时它们的总能量最小。于是，利用式(11～13，16)，求开关能量如下：

W_e＝2I_e ²R_eτ_e＝2m_e(α²c)²/2α＝3.18 10^-20J    (20)该能量等效于0.2eV。

可示出条件We≥2kT/e满足T＜T_e的整个工作温度范围，即信噪比在2以上。因此，此系统进行逻辑操作时，总是无噪声的。具体实施例

1999年，现代商用光刻制版技术不能设计小于180～250nm的单元。因此，当前需要在亚微米技术的基础上逐步变换到纳米规模电子器件。

在X射线电子或离子光刻制版的基础上，根据此工艺设计大量纳米规模器件实验模型。在专利和文件[4～9]中，说明这些器件。然而，这些器件通常工作在氦温度，将来不可能商用。

有源逻辑膜

利用所提出的熔融单层和多层膜合成物形式的谐振OS型电子单元，可设计各种微米和亚微米规模的数字和模拟-数学器件。显然，可用类球形粒子团设计多层有源膜：

实施例1

图14示出基于球形粒子团的多层逻辑单元，其中28为球形粒子团单元，29、30为控制电极，31为基片。包含No个粒子团28(置于Nc个层)的体单元插入正交电极29和30，并一起位于公用基片31上。

可用类圆筒形粒子团设计单层有源膜：

实施例2

图15示出基于圆筒形粒子团组的逻辑单元结构，其中32为圆筒形粒子团单元，33、34为控制电极，35为基片。圆筒形粒子团置于二个正交电极33和34之间的一个单层中。整个器件位于公用基片35上。

二个实施例中，粒子团之间的间隙填充气体、介质或半导体。

实施例3

图16示出易失性存储器阵，其中36为单一球形或圆筒形粒子团，37、38、39、40为正交控制电极。根据非线性迟滞特性(图11)，在该单元中记录并存储信息。断开时，单元通过电压分配总线放电。

实施例4

图17示出非易失性存储器阵，其中41为球形粒子团，42、43、44、45为正交控制电极。此存储器单元可包含串联的二个或多个粒子团，这些粒子团可在断开时存储信息。由后备电压对该单元进行过充电。

例如，规模为30nm的球形粒子团的这种单元可制成规模为150×150×60nm的亚微米存储器单元，其所包含平均粒子团数No＝50，层数Nc＝2。可从2至100个基本电荷写入这些单元。这种情况下，该单元中存储信息的时间不受限制。在存储模式中，该单元不消耗能量。可对总线42和44馈送写入脉冲U＞2U_eN_e或读出脉冲U＜2U_eN_e。读出模式中，可从控制总线取出与逻辑信号0或1成比例的电荷。

有源模拟光膜

除数字电平外，熔融多层膜还可存储与基本粒子团总电荷成比例的模拟电平。

实施例5

利用图14所示其自由空隙填充光敏半导体的膜，可方便地制成电视机或摄像机用的矩阵。这种情况下，粒子团层要有效吸收光子，即膜的厚度应与光波长相称。这相当于构成约500nm的15～17个层。这时，1个电极29当然要用透明导体制成。

设计兆级像素正交结构光敏矩阵时(图17)，1个光敏单元占约100μm²的面积。为了提高频谱光敏性；粒子团的间隙完全填充半导体材料，并且最好围绕粒子团核的外壳也用光敏半导体制成。这关系到实际上环电子如上文所述那样，与光子交互作用的截面小，整个光转换过程主要在半导体中进行。

光敏矩阵工作，其依据为本技术领域公知的原理，即画面的图像在半导体中曝光时，存储光载体。画面曝光结束后，开始“穿透”粒子团的脉冲信号馈送到总线29和30(图14)，并与数字存储器一样，用标准模拟方法在总线读出所存光电子(见图17)。然后，该模拟信号由总线放大器放大后，加以数字化。

实施例6

可在带MSPT的材料的基础上设计光敏矩阵。为此，圆筒形单元(图15)的间隙填充光敏半导体，而且单元本身做得无隧道透明间隙(图5)。这种情况下，带MSPT的材料必须工作在金属状态跃迁点以下。用实施例5所述相同的方式存储光信息。由于根据式(15)在电极33、34(图15)的静电场下通道材料跃迁到金属状态，可进行读出。

实施例7

借助图14、15所示其自由空隙填充光激励材料的膜，可方便地制成显示器。这时，电子沿缩展的电极在粒子团层中移动，并克服其间填充光发射材料的隧道透明粒子团间隔。这部分的电子被发光中心吸收，导致发光。因此，一个电极29当然要由透明导体制成。

实施例8

利用图14、15所示空隙填充电子在空闲空间中逸出功低的材料的膜，不难制成可控自扫描电子源。这种电子源可用于例如制作平面显示器，以代替阴极枪。这时，电子沿缩窄的电极在粒子团层中移动，并克服填充电子在真空中逸出功低的材料的隧道透明粒子团间隔。一部分电子在膜内侧移动，其他电子沿膜表面移动。在例如电极29以栅板状制成对电子透明时，添加额外大外电场，电子就有机会逸出，并进入真空或气体中。

有源模拟分布存储器

每个具有迟滞特性的单粒子团可存储多达二个的电子。因此，将这些粒子团连成组，就可制成分立样模拟存储器，其存储模拟信息的准确性与粒子团组规模成比例地提高。

实施例7

如果取图14所示的那种膜用作模拟存储器的基础，并给总线29、30提供在模拟信号检索时间内不同的电压，则部分粒子团“击穿”并起电。电荷量决定“存储”信号的电平。通过减小单元上的电压＜U_eN_c，可读出信息。然后，标准模-数变换器将该电荷数字化。通过对输出信号求差分，并将其送入脉冲计数器，可算出带电荷的粒子团数。在最后的情况下，由于基本粒子团数量大，每一单元具有自己的串联模-数变换器，其容量由log₂No决定。

实施例8

如果将粒子团层放在电极之间，起分布超高频谐振器的作用，则由于电压-电流曲线上存在下降段(图11的线CD、图12的BC或图10的线BO)，则可制成频率由谐振器特性决定的分布超高频发生器。该发生器的最高极限频率由式(12)决定。这种发生器的一个重要特性是噪声电平低。

三维逻辑

值得注意的是球形粒子团或类球形粒子团允许单元间直接接触的三维连接。该接触起控制电极或电源电极的作用。结果，这种结构使现代平面法可换成三维法，从而提高集成电路的电路密度，并由此提高集成电路的工作速度和性能。三维逻辑在今后设计为特定应用优化的并行距阵计算结构和设计大分支级结构(例如设计神经元计算机)中，是有前途的工艺。

串联的大量粒子团通过进行简单的统计平均，提供对缺陷单元的补偿，因而一般使成品率提高。此外，层辐射时，沿粒子径迹坐落的体粒子团会使最危险的重α粒子径迹局部化。因此，与传统半导体器件相比，辐射容限和温度容限会急剧提高。

间隔逻辑单元组

粒子团膜的一个有用重要特性是原理上可设计允许二维和三维连接结构的均匀有源计算媒体。由式(3)可知，纳米元件间传送信号的主要问题是存在连接元件的寄生电容和逻辑电路输出接点的寄生电容。通过给连接元件提供放大功能，即信号在沿总线传递的过程中得到附加放大，可解决此问题。使纳米逻辑电路尺寸与IC接点尺寸适配的问题则需要设计操作速度接近单粒子团速度的缓冲功率放大器，即需要制成某种规模的变量器。

进一步考虑设计分布有源逻辑器件的一些变形例。

实施例9

图18示出控制电阻电极连接一接触粒子团组的变形例，其中46为球形或圆筒形粒子团，47、48为电源电极，49为间隔电阻层，50控制电极，51为隔离层，52为输出电极。粒子团46位于金属基片48上，并通过半导体媒体49连接控制电极47。该半导体媒体为间隔负载。该负载用于S型二极管类神经器件线路[15]，或用于间隔隧道结或约瑟夫森间隔结[14]。重要的是半导体的介质渗透率为ε＞＞1，其电阻率可形成电阻负载，与粒子团电压-电流曲线的下降段(图11的线22)相交。这种情况下，对电极48、47提供脉冲时，前缘形式的开关波或孤子在粒子团媒体中散播。由负差分电阻(图11中电压-电流曲线的CD段)调节信号放大过程。电极50控制启动过程，并由电极52检出该信号。

实施例10

图19示出控制电极通过附加粒子团层连接上述接触粒子团组的变形例，其中53为球形粒子团，54、55为电源电极，56为间隔附加粒子团层，57为控制电极，58为隔离层，59为输出电极。由于采用附加粒子团层，既可进行维持波(即孤子)的传送，又可在去激励时同时存储单元的状态。激活时，此过程从预断电状态开始进行。整个系统在电源极性变化时复原。

实施例11

图20示出“或”逻辑单元组，其中60为球形或圆筒形粒子团，61、62和63为输入控制电极，64为输出电极。启动粒子团60穿通电荷波的启动信号经输入电极61、62和63中的任一个输入。电极64收集粒子团中经放大的电荷。由图18所示电极(电极47、48)对全部粒子团供电。电极61、62和63对应于电极50，电极64对应于电极52。

实施例12

图21示出带输出分支的“或”逻辑单元组，其中65为球形或圆筒形粒子团，66、67和68为输入控制电极，69、70和71为输出电极。这里，与实施例11的方式相同，由电极66、67和68中的任一个执行电荷波的初始启动。然而，输出是独立脚点，将输入信号分支为三个输出。用与实施例11相同的方法对粒子团65供电。

实施例13

图22示出带功率输出的“或”逻辑单元组，其中72为球形或圆筒形粒子团，73、74、75、76和77为输入控制电极，78为输出电极。这里，利用电极73～77中的任一个将输入信号提供给任何粒子团组。电荷波由粒子团组放大，并由输出电极78收集。该输出电极可起微米规模场晶体管或双极性晶体管基础上的标准逻辑单元输入端的作用，或直接成为逻辑纳米电子微电路的输出接点。

信号的方向性

如图1、3所示，粒子团为电对称单元。有些应用还要求信号一个方向传播。为了完成此功能，需要分配电场强度梯度的正确方向。为此，需要几何形状上使连接粒子团的电极在特定方向逐渐缩小，或者用输出作用不同的材料制作电极。

实施例14

图23示出带目标信号方向的综合逻辑单元变形例，其中79为球形或圆筒形粒子团，80为信息电极，81和82为电源电极。这里，输入信号从左到右，沿电极80穿过粒子团79进行传播。将连续电源和脉冲电源直接连接到电极81和82。

实施例15

图24示出带目标信号传递方向和分支的综合逻辑单元变形例，其中83为球形或圆筒形粒子团，84为信息电极，85和86为电源电极，87为分支信息电极。输入信号通过电极84馈入，在粒子团83进行放大，进而分支为二个或多个信号由电极87输出，并通过电极88提供给相同的器件。

本机逻辑单元

用按目标传播信号的方法可形成本机逻辑单元。

实施例16

采用目标电极仅满足构成单向移位寄存器。图25给出该移位寄存器，其中89为球形或圆筒形粒子团，箭头表示信息电极，90和91为电源电极，U₁、U₂为反相脉冲电源电压，U₃为输入电压，U₄为输出电压。异相脉冲电源电压馈给总线U₁、U₂。来自输入的逻辑信号U₃沿单元89的电路有效地移位成输出U₄。

实施例17

图26示出易失性“非”逻辑单元，其中92为球形或圆筒形粒子团，U₁为脉冲电源电压或直流电源电压，U₂为输入电压，U₃为输出电压，R为电阻负载。将脉冲电源电压或直流电源电压提供给电源总线U₁，控制电极U₂起控制电极的作用，与场晶体管栅极的作用相同，即完成反相(“非”)功能。

实施例18

图27示出非易失性“非”逻辑单元，其中93为球形粒子团，94为附加粒子团，U₁为脉冲电源电压，U₂为输入电压，U₃为输出电压。此器件用与实施例17相同的方式进行工作，但负载为附加粒子团94。该电路可在关模式时存储信息。与实施例17不同，此器件的电源仅为脉冲电源。粒子团94需要过充电。去激励时，二个配对电子可留在二个串联粒子团中的一个。这种情况下，该粒子团对实际上是逻辑触发器。

实施例19

通过横向连接二个带存储器的“非”逻辑单元(图27)等，可构成4态双电平触发器。通过以不同结构连接大量粒子团，可制成基数＞2的逻辑单元。图28示出非易失性触发器，其中95为球形粒子团，96为附加粒子团，U₁和U₂为脉冲电源压，U₃和U₄为输入电压，U₅和U₆为输出电压。所述触发器按照横向连接“或”逻辑单元和“非”逻辑单元的标准电路进行工作。

实施例20

连接图26所示的二个器件可设计模拟信号差分放大器，在该放大器基础上，可制作各种已知模拟器件。例如，图29示出种模拟信号比较器，其中97为球形粒子团或圆筒形粒子团，U₁为电源电压，U₂为输入电压，U₃为参考电压，U₄和U₅为输出电压，R₁和R₂为电阻负载，R₃为公共电阻。

如上所述，各实施例包括模拟和数字信息处理器件所用连接单元的多数典型变形例。在此基础上，本领域技术人员不难组合任何要求的IC组件。仅组合电阻负载或粒子团负载就可做到这点。可根据需要，在OS型、PS型或APS型电子效应的基础上构成更多的这种粒子团本身。电源电极可由金属、超导体或具有金属-超导体状态跃迁的材料制成。

实施例21

由式(16)可知，单元的量子电阻大于h/2e的约瑟夫森电阻，为该电阻的1/α倍。因此，可设计常温下准确度由普通常数h、e、α、c决定的样板低噪声电阻，即其误差为10^-7数量级。该电阻可连接电流源，从而例如像图30所示那样，形成标准电压源。图30示出，98为球形粒子团，I为电流源，U₁和U₂为标准输出电压。

神经元逻辑

神经计算机是并行计算结构今后发展的最先进方式。其基本单元应完成门限比较和不同加权的若干输入的求和[40]。

实施例24

图31示出神经元逻辑单元，其中U₁、U₂和U₃为输入电压，A₁、A₂和A₃为加权乘法器，99为模拟加法器，100为门限单元，U₄为加法器输出电压，U₅为输出电压。

如图20那样连接并仅有一个输入的有源膜可用于加权加法操作。由公共电极将该单元连在一起的该单元组形成神经元逻辑单元的非易失性加权加法器，如图32所示，其中101为带加权A₁、A₂、A₃的加权球形粒子团组，U₁、U₂和U₃为输入电压，U₄为加法器输出电压。

由于电荷载流子的离散性，以离散方式守完成加权乘法操作。这时，输入信号U₁、U₂和U₃在粒子团单元按该单元数量的比例进行乘法运算。U₁对应于加权A₁＝1，U₂对应于加权A₂＝3，U₃对应于加权A₃＝2。在电极102完成对信号求和。

具有MSPT的膜也可完成加权加法运算功能。图33示出基于带MSPT的材料的神经元逻辑单元的易失性加权加法器，其中103、104和105为带加权A₁、A₂、A₃的加权粒子团组，U₁、U₂和U₃为输入电压，U₄为加法器输出电压，106为输出电极。这时，膜的面积决定电荷的信号倍增率。与上述情况的方法相同，电荷电平根据A₁、A₂和A₃决定加权。

对图32和图33所示器件而言，将输出信号U₄提供给例如按照图29所示电路构成的比较单元，在其中完成门限比较。

如果按照图32构成加权加法器，并且通过图19的附加粒子团层提供电源，则可完成带存储器的加权求和。这种带存储器的功能是真实神经元最接近的说明。

电交叉耦合

集成电路的模拟和模拟-数字部件组合操作常常要求消除沿控制总线和电源总线的电交叉效应。为此，可用位于距离在r_o以内的二个电极中环电子的交叉作用。电极在该距离时，出现感应电流，而无任何电耦合。这种情况下，由于电路场就是环电子本身，不需要采用交流电压。

实施例25

图34示出变流器，其中107和108为超导体或具有金属-半导体状态跃迁的材料制成的输入电极，109为输出电极，I₁和I₂为输入电流，I₃为输出电流。输入电流I₁或I₂可为交流电流，也可为直流电流。输出电流I₃通过变换比与输入电流发生关系。在一导体的截面尺寸不超过或略为小于环电子直径，并且另一导体具有满足形成环电子的条件，又靠近所述区域时，由于电场交互作用，电子环可结合。这种情况下，可感应提供恒定或交变电流。

实施例26

图35示出直流-交流变换器，其中110为超导体或具有金属-半导体状态跃迁的材料制成的输入电极，111为输出电极，I₁为直流输入电流，I₂为交变输出电流。当在方波波形中使变换器的一个电极对输出电极距离＜2r_o的近区和对输出电极距离＞2r_o的远区时，输出电极111会感应仅出现在近区的电流。如果这种情况下，远区电流状态不同于近区电流状态，则电子成组通过输出电极。由此，在输出电路感应交变电流，即所述器件可将直流电流变换为交变电流，或将一种交变电流变换成另一种交变电流。可代之以改变几何形状而建立电流非均匀状态。因此，输出电极具有可变截面(大于2r_o或小于r_o)，则电流集中成群。如果电极111由超导体或具有MSPT的材料制成，并且电极连接交变电流，则另一种形式的电流流过电极110。在某些条件和迟后的情况下，可在输出端感应出直流电流。据此，仅在频率与载流子沿邻近区域移动的时间成比例时，完成交变电流的整流功能。同时，这种器件还起电交叉耦合的作用，其条件为电极间的电压在0.1V以下。

工艺的实现

要求专利的本发明揭示提高工作温度的前景以及器件商用的现实性。然而，问题在于是否可用现代工艺制作所建议的器件，该器件批量生产是否经济。

进一步揭示本发明的工程可行性。

以下证实在现代工艺基础上生产要求专利的逻辑单元的可能性。

构成球形或类球形颗粒的方法有三种[1]。第一种方法以气体态形成直径达37nm的金属或半导体粒子团，并进一步在氧化流或类似化学液体中氧化。这种颗粒的形成类似于在地球大气中形成雹。第二种方法为胶体法。该方法基于从金属盐溶液取得粒子团沉淀后，化学涂覆相应的外壳。第三种方法基于固态超饱满溶液(类似于耐高温陶瓷)的积聚效应。

中空粒子团可由干凝胶制成[41]，或者通过在添加挥发性组分添加剂下对液滴吹气，进而在上行气流中冷却[42]，也可制作。高频等离子化学脱氮处理中自动取得二氧化锆的纳米规模中空球体，因而这些球体可从等离子体直接加给基片[43]。

根据集聚形成法，例如根据Al、Ta、Nb、Hf等的电化学氧化，设计平面垂直纳米通道。所形成的通道可用电化学工艺填充金属或半导体[44]。

上述实例表示现代工艺可在其基础上制作纳米逻辑单元和集成电路。例如粒子团可在胶状液中快速制成，并通过自旋60sec以内，淀积在基片上。还可利用等离子流发生器以约1cm³/min的速度蒸发金属后，在气流中凝结，并淀积在基片上来制作粒子团。结果，可制得d为～35nm的粒子团。胶体工艺和汽相工艺都可从1cm³材料得到2.3·10¹⁶个粒子团，这些粒子团是很有价值的量子器件，即晶体管。应注意的是一年间在世界上生产的数字微电路个人计算机包含近似上述数量的晶体管。

重要的是不直接位于电极下的粒子团层形成不涉及信号变换的无源区。由于用集总法进行生产，粒子团的费用小到实际不影响生产总成本。

目前没有可生产纳米元件的系列(有经验)光刻制版工艺。所述工艺包括X射线、电子、离子光刻制版。利用这些工艺可制作所需尺寸的电极和纳米规模薄膜中的开口。此外，还有制作每一可能的半导体介质纳米规模薄膜的可靠工艺。这两种工艺可将所需结构的电极敷设在粒子团制成的膜上，从而制得所述专利申请已揭示的量子规器件。预期要安排这些工艺用于批量生产。

因此，纳米技术当前正促使有可能脱离硅和砷化镓的框架，开始考察设计固态电子高温微电路并且制作可工作在高达600k(327℃)的器件的概念。

开发从低成本高温半导体材料集体生长纳米粒子团的工艺将可设计根本翻新的具有高效率因素的输电线、超导储能设备、发电机、电动机等，且工作在高达93.5℃的温度。

当前有大量工艺用于从各种纳米厚度(10～100nm)的充分细长(达100μm)薄膜材料(称为“须”)进行生长[45]。这些膜基本没有强度高的缺陷单晶。对高温线缆而言，电特性比机械属性重要。因此，该“须”可通过涂覆结合物，并相互之间设置电接点，安排成长导体。这时，只要杂质中心位于距离在r_o以内，环电子就能从一根“须”移动到另一根“须”。

制作基于高分子化合物的纤维是形成高温超导性的另一种形式。例如，高分子化合物可为氧化合成橡胶，以自然方式按特定工艺形成其超导通道[46]。在高分子化合物上制作高温超导体的其他实施例是氧化聚丙烯[34]。这种情况下，氧起导电添加剂的作用。工业上已成熟制订生产基于丙稀和合成橡胶的纤维的工艺，用于微米级直径的纤维。按上述准则以适当方法处理该纤维，就可制作临界电流密度低的高温超导体。现只需通过学习创作具极限电流密度纳米纤维进入下一工艺步骤。

在高分子化合物上制作高温超导体的一种工艺是制作基于微管蛋白质和一些其他蛋白质的微管。一般地，该微管参与生命细胞的运动过程和神经脉冲的传送。它们通常是中空长圆筒体长若干微米，外径约24nm，内径15nm。可按照微生物工艺或直接通过用酶催化剂在专用反应器中合成，产生大量微管。重要的是微管长度不受任何限制。适当掺杂处理时，微管可变成高温超导体，可大量得到这种超导体。通过把微管按排成组件，可制得价廉的软线缆。

本领域技术人员会明白说明书和权利要求中所揭示的实施例、电子器件组合及其工作条件并不限制本发明的范围。在本发明框架内还可实践类似的器件和元件。

Claims (102)

1、一种量子规模电子器件，包含电极、至少1个粒子团和隧道透明间隙，其特征在于，粒子团至少具有一种根据下式求出的独特规模：

D＝ar_o

其中r_o为按下式表示的电子波圆半径：

其中

为普朗克常数，m_e为电子质量，α＝为1/137,036，为精细结构常数，C为光速，a为1≤a≤4范围决定的系数；隧道透明间隙的厚度在r_o以下，电极之间的间隔在r_o以上。

2、如权利要求1所述的器件，其特征在于，由导体制成所述粒子团。

3、如权利要求1所述的器件，其特征在于，由半导体制成所述粒子团。

4、如权利要求1所述的器件，其特征在于，由超导体制成所述粒子团。

5、如权利要求1所述的器件，其特征在于，由高分子有机物制成所述粒子团。

6、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团制成具有隧道透明间隙护层的腔的形式。

7、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团具有中心对称形式。

8、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团具有轴对称的形式。

9、如权利要求8所述的器件，其特征在于，所述粒子团制成可延伸状，并且具有由下式决定的独特截面尺寸：

      d＝br_o，    2≤b≤4。

10、如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述粒子团制成沿轴延伸状，并且具有周期由下式决定的规则结构：

     τ＝br_o，    1≤b≤4。

11、如权利要求1所述的器件，其特征在于，多个粒子团有规则地至少位于一层中，并且粒子团之间的间隙是隧道透明的，小于r_o。

12、如权利要求1所述的器件，其特征在于，粒子团至少连接二个电极，其中一个为控制电极。

13、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团至少连接三个电极，其中至少一个为控制电极。

14、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由导体或/和半导体或/和超导体或/和传导有机材料制成。

15、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团综合为组，从而形成一维或/和二或/和三维结构。

16、如权利要求15所述的器件，其特征在于，所述粒子团借助分立电极的互易位置综合为组。

17、如权利要求16所述的器件，其特征在于，所述粒子团借助分立电极的互易位置及其形状综合为组。

18、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团综合为连接相应电极的绝缘空间组。

19、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由导体制成，其电阻率为ρ≤10^-3Ωcm。

20、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由导体制成，其截面尺寸为d≥r_o。

21、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由超导体制成，其截面尺寸为d≥2r_o。

22、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由具有金属一半导体状态跃迁并且截面尺寸为d≥2r_o的材料制成。

23、如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团连接至少二个控制电极，一组这样的粒子团形成一个存储单元阵。

24、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个串联粒子团连接至少二个控制电极，一组这样的粒子团形成一个存储单元阵。

25、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团至少通过一个电阻层连接至少二个电源电极。

26、如权利要求25所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合为一层直接相互接触的粒子团的形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输出电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成“或”逻辑单元的输出。

27、如权利要求25所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团综合为一维串联电路形式的组，所述电路的偶数单元通过电阻层连接第一电源电极，其奇数单元则通过电阻层连接第二电源电极，从而所述奇数单元形成逻辑移位寄存器。

28、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个粒子团或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

29、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

30、如权利要求1所述的器件，其特征在于，通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，该粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，从而形成“非”逻辑单元的输出。

31、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过隧道透明间隙对连接其他粒子团的第二电极提供第二输入电压，每一粒子团中电阻元件的一些连接点连在一起，电阻元件的其他连接点接到输出电极，从而形成二个信号的模拟比较器的输出。

32、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团，从而形成双稳态触发器。

33、如权利要求1所述的器件，其特征在于，可将一个或多个粒子团通过电阻层连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成神经元型逻辑元件-加权加法器。

34、如权利要求1所述的器件，其特征在于，一个或多个粒子团至少通过一个附加粒子团层连接电源电极。

35、如权利要求34所述的器件，其特征在于，可将二个或多个粒子团连接电源电极，并且连在一起成为一单层直接接触粒子团形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成带存储器的“或”逻辑单元的输出。

36、如权利要求34所述的器件，其特征在于，可将二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一单层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

37、如权利要求34所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一单层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

38、如权利要求34所述的器件，其特征在于，可将一个或多个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成带存储器的神经元型逻辑元件-加权加法器。

39、如权利要求1所述的器件，其特征在于，粒子团通过附加粒子团连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，从而形成带存储器的反相逻辑单元。

40、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，对通过隧道透明间隙连接另一粒子团的第二电极提供第二输入电压，各粒子团的电阻元件的一些连接点连在一起，并且通过该电阻元件连接电源电极，附加粒子团的其他连接点连接成为带存储器的双信号模拟比较器的输出的输出电极。

41、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团，从而形成双稳态触发器。

42、如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接至少二个控制电极，其中至少一个是光透明电极，粒子团之间的间隔填充光敏半导体，从而一组这样的粒子团形成一个光敏阵。

43、如权利要求1所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个分布电极，其中至少一个是光透明电极，粒子团之间的间隔填充光敏半导体，从而形成光敏存储媒体。

44、如权利要求1所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个电极，其中至少一个是光透明电极，粒子团之间的间隔填充光激励材料，从而形成显示屏。

45、如权利要求1所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个电极，其中至少一个电极是对电子透明的栅极，粒子团之间的间隔填充电子在真空中逸出功低的材料，从而形成电子源。

46、如权利要求1所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个做成谐振器形式的分布电极，从而形成高频发生器，其最大截止频率由下式决定：

47、如权利要求1所述的器件，其特征在于，一个或多个粒子团通过电极或直接接触连接电流源，其中至少一个接点连接输出电极，从而可形成标准电压源，其电压大小由下式决定：U＝nα³c²m_e/2e，其中n为串联连接的粒子团数。

48、权利要求1至47中任一项权利要求所述器件的工作方法，包括施加工作强度范围内的电场，其特征在于，一个粒子团的电场控制强度，其大小规定在以下范围内：

E_min≤E≤E_max，

其中，

E_max＝E_min/4πα，

为普朗克常数，m_e为电子质量，e为电子电荷量，α＝l/137,036，为精细结构常数，c为光速。

49、如权利要求48所述的器件工作方法，其特征在于，馈给连续电源或/和脉冲电源。

50、一种量子规模电子器件，包含电极，并且一层具有金属-半导体状态跃迁的材料位于该电极之间；其特征在于，具有金属-半导体状态跃迁的材料层制成至少一个粒子团具有由下式所决定截面尺寸的形式：

D＝ar_o

其中r_o为按下式表示的电子波圆半径：

其中

为普朗克常数，m_e为电子质量，α＝为1/137,036，为精细结构常数，C为光速，a为2≤a≤4范围决定的系数；电极之间的间隔在r_o以上。

51、如权利要求50所述的器件，其特征在于，粒子团连接电源电极和至少一个负载，并通过隧道透明间隙连接一个或多个电极，隧道透明间隙的宽度在r_o以下，电极间的距离在r_o以上。

52、如权利要求50所述的器件，其特征在于，电极由导体制成，其电阻率为ρ≤10^-3Ωcm。

53、如权利要求50所述的器件，其特征在于，电极由导体制成，其截面尺寸为d≥r_o。

54、如权利要求50所述的器件，其特征在于，电极由超导体制成，其截面尺寸为d≥2r_o。

55、如权利要求50所述的器件，其特征在于，所述电极由具有金属-半导体状态跃迁的材料制成，其截面尺寸为d≥2r_o。

56、如权利要求50所述的器件，其特征在于，一个或多个粒子团至少通过一个电阻层连接电源电极。

57、如权利要求56所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合为一层直接相互接触的粒子团的形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成“或”逻辑单元的输出。

58、如权利要求56所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个粒子团或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

59、如权利要求56所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

60、如权利要求50所述的器件，其特征在于，通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，该粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，即“非”逻辑单元的输出。

61、如权利要求50所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过隧道透明间隙对连接其他粒子团的第二电极提供第二输入电压，每一粒子团中电阻元件和一些连接点连在一起，电阻元件和其他连接点接到输出电极，从而形成二个信号的模拟比较器的输出。

62、如权利要求50所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团，从而形成双稳态触发器。

63、如权利要求50所述的器件，其特征在于，一个或多个粒子团通过电阻层连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成神经元型逻辑元件-加权加法器。

64、如权利要求50所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接至少二个控制电极，粒子团之间的间隔填充光敏半导体，从而一组这样的粒子团形成一个光敏阵。

65、如权利要求50所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个电极，其中至少一个是光透明电极，粒子团之间的间隔填充光激励材料，从而形成显示屏。

66、如权利要求50所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个电极，其中至少一个电极是对电子透明的栅极，粒子团之间的间隔填充电子在真空中逸出功低的材料，从而形成电子源。

67、如权利要求50所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个做成谐振器形式的分布电极，从而形成高频发生器，其最大截止频率由下式决定：f≤m_eα⁴c²/(2πh)。

68、权利要求50至67中任一项权利要求所述器件的工作方法，包括通过至少一个粒子团传送电流，其特征在于，通过粒子团的电流密度受以下的值限制：j≤4πem_e ³α⁸c⁴/h³，其中，h为普朗克常数，m_e为电子质量，e为电子电荷量，α＝1/137,036为精细结构常数，c为光速。

69、如权利要求50至63、65至67所述器件的工作方法，包括通过至少一个粒子团传送电流，其特征在于，由于采用具有比器件工作温度高的金属-半导体状态跃迁温度的材料，要在以下范围提供每一粒子团电场强度：

其中， 为普朗克常数，m_e为电子质量，e为电子电荷量，α＝/137,036为精细结构常数，c为光速。

70、如权利要求64所述器件的工作方法，包括通过至少一个粒子团传送电流，其特征在于，粒子团采用具有比器件工作温度高的金属-半导体状态跃迁温度的材料。

71、一种量子规模电子器件，包含电极和位于电极之间的至少一个粒子团，其特征在于，该粒子团由超导体材料制成，且其截面尺寸从下式求出：

D＝ar_o

其中r_o为按下式表示的电子波圆半径：

其中

为普朗克常数，m_e为电子质量，α＝为1/137,036为精细结构常数，c为光速，a为2≤a≤4范围决定的系数；电极之间的间隔在r_o以上。

72、如权利要求71所述的器件，其特征在于，粒子团连接电源电极和至少一个负载，并通过隧道透明间隙连接一个或多个控制电极，隧道透明间隙的厚度在r_o以下。

73、如权利要求71所述的器件，其特征在于，所述电极由导体制成，其电阻率为p≤10^-3Ωcm。

74、如权利要求71所述的器件，其特征在于，所述电极由导体制成，其截面尺寸为d≥r_o。

75、如权利要求71所述的器件，其特征在于，所述电极由超导体制成，其截面尺寸为d≥2r_o。

76、如权利要求71所述的器件，其特征在于，所述电极由具有金属-半导体状态跃迁的材料制成，其截面尺寸为d≥2r_o。

77、如权利要求71所述的器件，其特征在于，一个或多个粒子团通过至少一个电阻层连接电源电极。

78、如权利要求71所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合为一层直接相互接触的粒子团的形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成“或”逻辑单元的输出。

79、如权利要求71所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个粒子团或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

80、如权利要求71所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极；综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。

81、如权利要求71所述的器件，其特征在于，通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，该粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，从而形成“非”逻辑单元的输出。

82、如权利要求71所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过隧道透明间隙对连接其他离子团的第二电极提供第二输入电压，每一粒子团中电阻元件和一些连接点连在一起，电阻元件的其他连接点接到输出电极，从而形成二个信号的模拟比较器的输出。

83、如权利要求71所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团，从而形成双稳态触发器。

84、如权利要求71所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团通过电阻层连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成神经元型逻辑元件-加权加法器。

85、如权利要求71至84所述器件的工作方法，其特征在于，器件的工作模式受所用材料转变为超导状态的临界温度限制，该临界温度由下式决定：

Tc＜m_eα³c²(2kπ)，

其中k为玻尔兹曼常数，m_e为电子质量，α＝1/137,036为精细结构常数，c为光速。

86、如权利要求85所述的器件工作方法，其特征在于，粒子团上存在以下电场时进行在控制电压作用下从超导态到常态的变换：

E＞m_e ²α⁵c³/(2he)

其中h为普朗克常数。

87、一种量子规模电子器件，包含电极，其中至少一个由超导体或具有金属-半导体状态跃迁的材料制成；其特征在于，至少一个电极的至少一个区具有由下式决定的截面尺寸：

d＝n_dr_o，其中r_o为电子波的圆半径，由下式决定：

其中 为普朗克常数，m_e为电子质量，α＝1/137,036为精细结构常数，c为光速，n_d为规定范围1≤n_b≤2内的系数。

88、如权利要求87所述的器件，其特征在于，在特定截面尺寸的面积内，一组电极具有至少一个间距数在2r_o以下的邻近区，从而形成直流或交流变量器。

89、如权利要求87所述的器件，其特征在于，在特定截面尺寸的面积内，二个电极具有至少二个间距在2r_o以下的邻近区，直流或交流电流流经其中一个电极，并且第二个电极连接负载，从而形成直流至交流变换器。

90、如权利要求87所述的器件，其特征在于，二个电极具有至少二个间距在2r_o以下的邻近区，特定频率的交流电流流通其中一个电极，第二个电极连接负载，并且直流电流流过该负载，从而形成交流至直流变换器。

91、如权利要求87至90中任一项权利要求所述的器件，其特征在于，二个电极中至少一个电极具有从特定电极尺寸周期性偏移(缩小/扩大)的区域，至少在二个间距在2r_o以下的邻近区中，至少一个电极连接负载，从而形成电流形状变换器。

92、一种量子规模电子器件，包含超导元件，其特征在于，超导元件具有由下式决定的截面尺寸：

D＝n_dr_o，

其中r_o为电子波的圆半径，由下式决定：

其中

为普朗克常数，m_e为电子质量，α＝1/137,036为精细结构常数，c为光速，a是规定为a≥2的系数。

93、如权利要求92所述的器件，其特征在于，超导元件包含一个或多个链状连接成一组并连接电源电极的粒子团，该粒子团的规模在2r_o以上。

94、如权利要求92所述的器件，其特征在于，超导元件包含二个或多个连接成一层或多层状并连接电源电极的粒子团，该粒子团的规模在2r_o以上。

95、如权利要求92所述的器件，其特征在于，超导元件由包含电子施主中心的高分子有机材料制成。

96、如权利要求92所述的器件，其特征在于，超导元件做成毛细管状，其被覆包含电子施主中心，空腔尺寸在2r_o以下。

97、如权利要求92所述的器件，其特征在于，超导元件做成包含电子施主中心的半导体形式。

98、如权利要求95至97中任一项权利要求所述的器件，其特征在于，根据以下条件选择电子施主中心的间隔：d≤4r_o。

99、如权利要求93至97中任一项权利要求所述的器件，其特征在于，超导元件做成环状或螺旋管状。

100、如权利要求92至99所述器件的工作方法，其特征在于，该器件的工作范围受所用材料变换为超导态的临界温度限制，所述温度根据下式决定：

Tc＜m_eα³c²(2kπ)，

其中k为玻尔兹曼常数，m_e为电子质量，α＝1/137,036为精细结构常数，c为光速。

101、如权利要求92至99所述器件的工作方法，其特征在于，流过粒子团或导体的电流密度一般受下式限制：

j＜4πem_e ³α⁸c⁴/h³

其中 为普朗克常数，e为电子电荷量。

102、如权利要求92至99所述器件的工作方法，其特征在于，该器件的工作范围受所用材料变换为超导态的临界磁场限制，所述磁场根据下式决定：。

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