KR20230035193A - Digital Circuits Comprising Quantum Wire Resonant Tunneling Transistors - Google Patents

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Abstract

A digital circuit includes: an emitter terminal; a base terminal; a collector terminal; an emitter region connected to the emitter terminal; a base region connected to the base terminal; a collector region connected to the collector terminal; an emitter barrier region between the emitter region and the base region; and a collector barrier region between the collector region and the base region. At least one of the emitter region, the base region, and the collector region includes a plurality of metal quantum wires.

Description

양자 와이어 공진 터널링 트랜지스터를 포함하는 디지털 회로{Digital Circuits Comprising Quantum Wire Resonant Tunneling Transistors}Digital circuits comprising quantum wire resonant tunneling transistors {Digital Circuits Comprising Quantum Wire Resonant Tunneling Transistors}

본 출원은 일반적으로 디지털 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양자 와이어 공진터널링 트랜지스터를 포함하는 디지털 회로에 관한 것이다. 본 출원은 동일한 발명자에 의해 2020년 4월 19일에 출원된 "양자 와이어 공진 터널링 트랜지스터"라는 제목으로 공동 양도된 미국 특허 출원 16/852,493을 기반으로 하여 미국에서 일부계속출원으로 출원된 특허 출원17/467,188에 기초하여 출원되었으며, 그 내용이 여기에 참조로서 포함된다.This application relates generally to digital circuitry, and more specifically to digital circuitry including quantum wire resonant tunneling transistors. This application is based on commonly assigned US Patent Application Serial No. 16/852,493, entitled "Quantum Wire Resonant Tunneling Transistor" filed on April 19, 2020 by the same inventor and is a continuation-in-part patent application17 in the United States. /467,188, the contents of which are incorporated herein by reference.

MOSFET(금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터)은 반도체 기술의 근본 빌딩 블록이다. 그 성공의 상당 부분은 회로 성능을 높이고 제조 단가를 낮추면서 더 작은 크기로 지속적으로 축소될 수 있다는 사실 때문이다. 50년 이상 동안의 소형화 후, 디바이스 크기 조정의 이점은 점차적으로 감소했다. 그러나, 2015년 반도체 국제기술로드맵(ITRS)에 따르면 MOS디바이스 크기조정은 가까운 미래에 중단될 수 있다(R. Courtland, "Transistors Could Stop Shrinking in 2021," IEEE Spectrum, vol. 53, no. 9, pp. 9-11, Sep. 2016, doi: 10.1109/MSPEC.2016.7551335, 그리고, 국제 반도체 기술로드맵 2015년판(International Technology Roadmap for Semiconductors, 2015 Edition.) http://www.itrs2.net/).The MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is a fundamental building block of semiconductor technology. Much of its success is due to the fact that it can be continuously scaled down to smaller sizes while increasing circuit performance and lowering manufacturing costs. After more than 50 years of miniaturization, the benefits of device scaling have gradually diminished. However, according to the 2015 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), scaling of MOS devices may stop in the near future (R. Courtland, "Transistors Could Stop Shrinking in 2021," IEEE Spectrum, vol. 53, no. 9, pp. 9-11, Sep. 2016, doi: 10.1109/MSPEC.2016.7551335, and International Technology Roadmap for Semiconductors, 2015 Edition. http://www.itrs2.net/.

따라서, 컴퓨팅 파워의 성장 수요를 충족시키기 위해 CMOS를 넘어선 저비용/고효율 트랜지스터가 긴급히 필요하다. 그러한 새로운 트랜지스터는 MOSFET과 매우 다른 동작 메커니즘과 동작을 가질 수 있기 때문에 회로 설계에 새로운 도전을 가져올 수 있다.Therefore, there is an urgent need for low-cost/high-efficiency transistors beyond CMOS to meet the growing demand for computing power. Such new transistors can have very different operating mechanisms and behaviors than MOSFETs, bringing new challenges to circuit design.

본 발명의 일반적인 일 측면에서, 본 발명은 하나 이상의 양자 와이어 공진 터널링 트랜지스터(Quantum Wire Resonant Tunneling Transistor: QWRTT)를 포함하는 디지털 회로(digital circuit)에 관한 것이며, QWRTT 중 적어도 하나는: 이미터 단자(emitter terminal), 베이스 단자(base terminal), 컬렉터 단자(collector terminal), 이미터 단자와 연결된 이미터 영역(emitter region), 베이스 단자와 연결된 베이스 영역(base region), 컬렉터 단자와 연결된 컬렉터 영역(collector region), 이미터 영역과 베이스 영역 사이의 이미터 배리어 영역(emitter barrier region) 및 컬렉터 영역과 베이스 영역 사이의 컬렉터 배리어 영역(collector barrier region)을 포함하고, 이미터 영역, 베이스 영역 및 컬렉터 영역 중 적어도 하나는 복수의 금속 양자 와이어(metal quantum wires)를 포함한다.In one general aspect of the present invention, the present invention relates to a digital circuit comprising one or more Quantum Wire Resonant Tunneling Transistors (QWRTTs), at least one of which is an emitter terminal ( emitter terminal), base terminal, collector terminal, emitter region connected to the emitter terminal, base region connected to the base terminal, collector area connected to the collector terminal region), an emitter barrier region between the emitter region and the base region, and a collector barrier region between the collector region and the base region, and among the emitter region, the base region, and the collector region At least one includes a plurality of metal quantum wires.

상기 시스템의 구현들은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 디지털 회로는 입력 노드(input node), 출력 노드(output node), 하나 이상의 QWRTT를 포함하는 풀-다운 네트워크(pull-down network), 및 하나 이상의 QWRTT를 포함하는 풀-업 네트워크(pull-up network)를 포함하는 상보형 로직 게이트를(complementary logic gate) 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 풀-다운 네트워크 및 상기 풀-업 네트워크는 듀얼 네트워크(dual networks)를 형성하고, 상기 풀-다운 네트워크에서 하나 이상의 QWRTT의 병렬 연결(parallel connection)은 상기 풀-업 네트워크에서 하나 이상의 QWRTT의 직렬 연결(series connection)에 대응하거나, 또는 상기 풀-다운 네트워크에서 하나 이상의 QWRTT의 직렬 연결은 상기 풀-업 네트워크에서 하나 이상의 QWRTT의 병렬 연결에 대응한다. 상기 상보형 로직 게이트의 입력 노드는 상기 풀-다운 네트워크에서 상기 하나 이상의 QWRTT의 상기 베이스 단자와 연결되는데, 이 경우, 상기 상보형 로직 게이트의 입력 노드는 상기 풀-업 네트워크에서 상기 하나 이상의 QWRTT의 상기 베이스 단자와 연결된다. 상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-다운 네트워크는 양의 온 전압(on voltage V ON )을 갖는 하나 이상의 인핸스먼트 모드(enhancement mode) QWRTT를 포함하고, 상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-업 네트워크는 음의 V ON 을 갖는 하나 이상의 인핸스먼트 모드 QWRTT를 포함한다. 상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-다운 네트워크는 하나 이상의 노멀리 온(normally on) QWRTT를 포함하고, 상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-업 네트워크는 하나 이상의 노멀리 온 QWRTT를 포함한다. 상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-다운 네트워크는 하나 이상의 n-형 QWRTT를 포함하고, 상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-업 네트워크는 하나 이상의 n-형 QWRTT를 포함한다. 상기 상보형 로직 게이트는 AND 게이트, OR 게이트, NOT 게이트, 버퍼(buffer), NAND 게이트, NOR 게이트 또는 그 조합을 포함한다. 패스 트랜지스터 로직 게이트는(pass transistor logic gate): 양의 V ON 인 하나 이상의 인핸스먼트 모드 QWRTT, 음의 V ON 인 하나 이상의 인핸스먼트 모드 QWRTT, 또는 그 조합을 더 포함한다. 데이터의 비트를 저장하는 쌍안정 회로(bistable circuit)를 포함하는 기억 소자(memory element)로서, 하나 이상의 QWRTT를 포함하는 상기 쌍안정 회로를 더 포함한다. 상기 쌍안정 회로는 2개의 인버터(inverters) 또는 하나의 버퍼를 포함한다. 상기 기억 소자는 4개의 인핸스먼트 모드 QWRTT에 의해 형성된 2개의 교차-결합된 인버터(cross-coupled inverters); 2개의 인핸스먼트 모드 QWRTT에 의해 형성된 2개의 액세스 트랜지스터(access transistors); 워드 라인(word line WL); 및 2개의 비트 라인(bit lines BL)을 포함하는 6-트랜지스터(6T) SRAM 셀을 특징으로 하며, 이 경우, 상기 워드 라인 및 상기 2개의 비트 라인은 상기 SRAM 셀을 어드레스(address)하고 읽기 및 쓰기 동작에서 저장된 데이터에 액세스하기 위해 구성된다. 상기 기억 소자는 2개의 노멀리 온 트랜지스터에 의해 형성되는 버퍼; 하나의 인핸스먼트 모드 트랜지스터에 의해 형성되는 액세스 트랜지스터; 워드 라인; 및 비트 라인;을 포함하는 3-트랜지스터(3T) SRAM 셀을 특징으로 하며, 이 경우, 상기 워드 라인 및 상기 비트 라인은 상기 SRAM 셀을 어드레스하고 읽기 및 쓰기 동작에서 저장된 데이터에 액세스하기 위해 구성된다. 상기 하나 이상의 QWRTT는 n-형 및 p-형 디바이스를 포함하고, 상기 n-형 및 상기 p-형 디바이스는 V ON = 0 V인 노멀리 온 트랜지스터, 양의 V ON 인 인핸스먼트 모드 트랜지스터, 또는 음의 V ON 인 인핸스먼트 모드 트랜지스터로 구성된다. 상기 인핸스먼트 모드 QWRTT는 다수의V ON 값을 갖고, 상기 인핸스먼트 모드 QWRTT는 다수의 전원 전압(power supply voltage)으로 동작하도록 구성된다. 상기 복수의 금속 양자 와이어는 결정질 반도체(crystalline semiconductor)의 개방 채널(open channel)에 금속 이온을 주입하여 형성되고, 이온 주입(ion implantation)에 사용되는 마스크 층(mask layer)이 웨이퍼 표면 상에 격자 구조(lattice structure)로 정렬된다.Implementations of the system may include one or more of the following. The digital circuit includes an input node, an output node, a pull-down network including one or more QWRTTs, and a pull-up network including one or more QWRTTs. network), and in this case, the pull-down network and the pull-up network form a dual network, and the pull-down network A parallel connection of one or more QWRTTs in a network corresponds to a series connection of one or more QWRTTs in the pull-up network, or a series connection of one or more QWRTTs in the pull-down network corresponds to a series connection of one or more QWRTTs in the pull-down network. Corresponds to the parallel connection of one or more QWRTTs in the up network. An input node of the complementary logic gate is connected to the base terminal of the one or more QWRTTs in the pull-down network, in which case the input node of the complementary logic gate is connected to the base terminal of the one or more QWRTTs in the pull-up network. It is connected to the base terminal. The pull-down network of the complementary logic gates includes one or more enhancement mode QWRTTs having a positive on voltage V ON , and the pull-up network of the complementary logic gates comprises: Includes one or more enhancement mode QWRTTs with negative V ON . The pull-down network of the complementary logic gates includes one or more normally on QWRTTs, and the pull-up network of the complementary logic gates includes one or more normally on QWRTTs. The pull-down network of the complementary logic gates includes one or more n-type QWRTTs, and the pull-up network of the complementary logic gates includes one or more n-type QWRTTs. The complementary logic gate includes an AND gate, an OR gate, a NOT gate, a buffer, a NAND gate, a NOR gate, or a combination thereof. The pass transistor logic gate further includes: one or more enhancement mode QWRTT with positive V ON , one or more enhancement mode QWRTT with negative V ON , or a combination thereof. A memory element comprising a bistable circuit for storing bits of data, further comprising the bistable circuit comprising one or more QWRTTs. The bistable circuit includes two inverters or a buffer. The storage element includes two cross-coupled inverters formed by four enhancement mode QWRTTs; two access transistors formed by two enhancement mode QWRTTs; word line WL ; and a 6-transistor (6T) SRAM cell including two bit lines BL , in which case the word line and the two bit lines address the SRAM cell and read and It is configured to access stored data in a write operation. The storage element may include a buffer formed by two normally-on transistors; an access transistor formed by one enhancement mode transistor; word line; and a bit line; wherein the word line and the bit line are configured to address the SRAM cell and access stored data in read and write operations. . The one or more QWRTTs include n-type and p-type devices, wherein the n-type and p-type devices are normally on transistors with V ON = 0 V, enhancement mode transistors with positive V ON , or It consists of an enhancement mode transistor with negative V ON . The enhancement mode QWRTT has multiple V ON values, and the enhancement mode QWRTT is configured to operate with multiple power supply voltages. The plurality of metal quantum wires are formed by implanting metal ions into an open channel of a crystalline semiconductor, and a mask layer used for ion implantation is formed on a wafer surface with a lattice arranged in a lattice structure.

하나 이상의 실시예의 세부사항은 첨부 도면 및 하기 설명에 기재되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명과 도면 및 청구범위로부터 명확해질 것이다.The details of one or more embodiments are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, objects and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description, drawings and claims.

본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 그 기재와 함께 본 발명의 실시예를 예시하며, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 양자 와이어 공진 터널링 트랜지스터(QWRTT)의 개략도를 나타낸다.
도 2a는 n-형 QWRTT의 밴드 다이어그램을 도시한다.
도 2b는 p-형 QWRTT의 밴드 다이어그램을 도시한다.
도 3a는 <110> 방향에서 본 실리콘 격자 구조를 도시한다.
도 3b는 이온 주입 후 동일한 실리콘 격자 구조를 도시한다.
도 4a는 이온 주입 단계에서의 층 구조를 도시한다.
도 4b는 금속층이 증착되고 패터닝된 후의 층 구조를 도시한다.
도 5는 기저 상태 에너지(E 1 ) 대 초격자 구조의 양자 와이어의 개수(N)를 도시한다.
도 6은 전자 투과 계수와 1-D DOS(σ 1-D ) 대 n-형 QWRTT의 에너지를 도시한다.
도 7a는 n-형 QWRTT의 전송 I-V 곡선을 도시한다.
도 7b는 디바이스 구동 전류 대 n-형 QWRTT의 V B 를 도시한다.
도 7c는 n-형 QWRTT의 출력 특성을 도시한다.
도 8a는 p-형 QWRTT의 전송 I-V곡선을 도시한다.
도 8b는 디바이스 구동 전류 대 p-형 QWRTT의 V B 를 도시한다.
도 8c는 p-형 QWRTT의 출력 특성을 도시한다.
도 9는 상이한 (N E , N B , N C )를 갖는 3개의 n-형 QWRTT의 전송 I-V 곡선을 도시한다.
도 10은 상이한 (

Figure pat00001
,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
)를 갖는 3개의 n-형QWRTT의 전송 I-V 곡선을 도시한다.
도 11은 QWRTT의 회로 심볼을 도시한다.
도 12a는 n-형 및 p-형 노멀리 온 QWRTT을 모두 사용하여 구성된 2-입력 AND 게이트의 회로도를 도시한다.
도 12b는 n-형 및 p-형 노멀리 온 QWRTT을 모두 사용하여 구성된 2-입력 OR 게이트의 회로도를 도시한다.
도 13a는 n-형 노멀리 온 QWRTT만 사용하여 구성된 2-입력 AND 게이트의 회로도를 도시한다.
도 13b는 n-형 노멀리 온 QWRTT만 사용하여 구성된 2-입력 OR 게이트의 회로도를 도시한다.
도 14a는 n-형 및 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT를 모두 사용하여 구성된 인버터의 회로도를 도시한다.
도 14b는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT만 사용하여 구성된 인버터의 회로도를 도시한다.
도 15a는 n-형 및 p-형 노멀리 온 QWRTT 모두 사용하여 구성된 버퍼의 회로도를 도시한다.
도 15b는 n-형 노멀리 온 QWRTT만 사용하여 구성한 버퍼의 회로도를 도시한다.
도 16a는 n-형 및 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT를 모두 사용하여 구성한 2-입력 NAND 게이트의 회로도를 도시한다.
도 16b는 n-형 및 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT를 모두 사용하여 구성된 2-입력 NOR 게이트의 회로도를 도시한다.
도 17a는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT만 사용하여 구성한 2-입력 NAND 게이트의 회로도를 도시한다.
도 17b는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT만 사용하여 구성한 2-입력 NOR 게이트의 회로도를 도시한다.
도 18a는 양의 V ON 을 갖는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT를 사용하는 패스 트랜지스터 로직에서 구현된 XOR 게이트의 회로도를 도시한다.
도 18b는 음의 V ON 을 갖는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT를 사용하여 패스 트랜지스터 로직에서 구현된 XNOR 게이트의 회로도를 도시한다.
도 19a는 n-형 및 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT를 모두 사용하여 구성된 전송 게이트의 회로도를 도시한다.
도 19b는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT만 사용하여 구성된 전송 게이트의 회로도를 도시한다.
도 20a는 두 개의 교차-결합된 인버터로 구성된 쌍안정 회로의 회로 개략도를 도시한다.
도 20b는 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성된 도 20a에 도시된 바와 같은 쌍안정 회로의 회로도를 도시한다.
도 20c는 n-형 QWRTT만 사용하여 구성된 도 20a에 도시된 바와 같은 쌍안정 회로의 회로도를 도시한다.
도 21a는 버퍼로 구성된 쌍안정 회로의 회로 개략도를 도시한다.
도 21b는 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성된 도 21a에 도시된 바와 같은 쌍안정 회로의 회로도를 도시한다.
도 21c는 n-형 QWRTT만 사용하여 구성된 도 21a에 도시된 바와 같은 쌍안정 회로의 회로도를 도시한다.
도 22a는 2개의 인버터와 2개의 전송 게이트로 구성된 래치의 회로 개략도를 도시한다.
도 22b는 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성된 도 22a에 도시된 래치의 회로도를 도시한다.
도 22c는 n-형 QWRTT만 사용하여 구성된 도 22a에 도시된 래치의 회로도를 도시한다.
도 23a는 버퍼와 두개의 전송 게이트로 구성된 래치의 회로 개략도이다.
도 23b는 n-형 및 p-형 QWRTT를 사용하여 구성된 도 23a에 도시된 래치의 회로도를 도시한다.
도 23c는 n-형 QWRTT만 사용하여 구성된 도 23a에 도시된 래치의 회로도를 도시한다.
도 24a는 2 개의 교차 결합된 인버터와 2 개의 액세스 트랜지스터로 구성된 6T SRAM을 도시한다.
도 24b는 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성된 도 24a에 도시된 6T SRAM 셀의 회로도를 도시한다.
도 24c는 n-형 QWRTT만 사용하여 구성된 도 24a에 도시된 6T SRAM 셀의 회로도를 도시한다.
도 25a는 버퍼와 엑세스 트랜지스터를 사용하여 구성된 싱글-앤드 3T SRAM 셀을 도시한다.
도 25b는 n-형 및 p-형 QWRTT를 사용하여 구성된 도 25a에 도시된 3T SRAM 셀의 회로도를 도시한다.
도 25c는 n-형 QWRTT만 사용하여 도 25a에 도시된 3T SRAM 셀의 회로도를 도시한다.The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, together with the description illustrate embodiments of the present invention and serve to explain the principles of the present invention.
1 shows a schematic diagram of a quantum wire resonant tunneling transistor (QWRTT).
2A shows a band diagram of an n-type QWRTT.
2b shows a band diagram of a p-type QWRTT.
Figure 3a shows a silicon lattice structure viewed from the <110> direction.
Figure 3b shows the same silicon lattice structure after ion implantation.
4A shows the layer structure in the ion implantation step.
Figure 4b shows the layer structure after the metal layer has been deposited and patterned.
5 shows the ground state energy ( E 1 ) versus the number of quantum wires ( N ) of a superlattice structure.
6 plots electron transmission coefficients and 1-D DOS ( σ 1-D ) versus energy of an n-type QWRTT.
7A shows the transmission IV curve of an n-type QWRTT.
7B plots the device drive current versus V B of an n-type QWRTT.
7C shows output characteristics of an n-type QWRTT.
8A shows the transmission IV curve of p-type QWRTT.
8B plots device drive current versus V B of a p-type QWRTT.
8C shows the output characteristics of a p-type QWRTT.
9 shows transmission IV curves of three n-type QWRTTs with different ( NE , N B , N C ) .
10 shows a different (
Figure pat00001
,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
) shows the transmission IV curves of three n-type QWRTTs with
11 shows circuit symbols of QWRTT.
12A shows a circuit diagram of a two-input AND gate constructed using both n-type and p-type normally on QWRTTs.
12B shows a circuit diagram of a two-input OR gate constructed using both n-type and p-type normally on QWRTTs.
13A shows a circuit diagram of a two-input AND gate constructed using only n-type normally-on QWRTTs.
13B shows a circuit diagram of a two-input OR gate constructed using only n-type normally-on QWRTTs.
14A shows a circuit diagram of an inverter constructed using both n-type and p-type enhancement mode QWRTT.
14B shows a circuit diagram of an inverter constructed using only the n-type enhancement mode QWRTT.
15A shows a circuit diagram of a buffer constructed using both n-type and p-type normally on QWRTTs.
15B shows a circuit diagram of a buffer constructed using only n-type normally-on QWRTTs.
Figure 16a shows a circuit diagram of a two-input NAND gate constructed using both n-type and p-type enhancement mode QWRTT.
16B shows a circuit diagram of a two-input NOR gate constructed using both n-type and p-type enhancement mode QWRTT.
Figure 17a shows a circuit diagram of a two-input NAND gate constructed using only the n-type enhancement mode QWRTT.
Figure 17b shows a circuit diagram of a two-input NOR gate constructed using only n-type enhancement mode QWRTT.
18A shows a circuit diagram of an XOR gate implemented in pass transistor logic using n-type enhancement mode QWRTT with positive V ON .
18B shows a circuit diagram of an XNOR gate implemented in pass transistor logic using n-type enhancement mode QWRTT with negative V ON .
19A shows a circuit diagram of a transfer gate constructed using both n-type and p-type enhancement mode QWRTT.
19B shows a circuit diagram of a transfer gate constructed using only n-type enhancement mode QWRTT.
20A shows a circuit schematic of a bistable circuit composed of two cross-coupled inverters.
FIG. 20B shows a circuit diagram of a bistable circuit as shown in FIG. 20A constructed using both n-type and p-type QWRTTs.
Fig. 20c shows a circuit diagram of a bistable circuit as shown in Fig. 20a constructed using only n-type QWRTTs.
Fig. 21A shows a circuit schematic of a bistable circuit composed of a buffer.
FIG. 21B shows a circuit diagram of a bistable circuit as shown in FIG. 21A constructed using both n-type and p-type QWRTTs.
Fig. 21c shows a circuit diagram of a bistable circuit as shown in Fig. 21a constructed using only n-type QWRTTs.
22A shows a circuit schematic of a latch composed of two inverters and two transfer gates.
FIG. 22B shows a circuit diagram of the latch shown in FIG. 22A constructed using both n-type and p-type QWRTTs.
Fig. 22c shows a circuit diagram of the latch shown in Fig. 22a constructed using only n-type QWRTTs.
23A is a circuit schematic diagram of a latch composed of a buffer and two transfer gates.
FIG. 23B shows a circuit diagram of the latch shown in FIG. 23A constructed using n-type and p-type QWRTTs.
Fig. 23c shows a circuit diagram of the latch shown in Fig. 23a constructed using only n-type QWRTTs.
24a shows a 6T SRAM composed of two cross-coupled inverters and two access transistors.
FIG. 24B shows a circuit diagram of the 6T SRAM cell shown in FIG. 24A constructed using both n-type and p-type QWRTTs.
Fig. 24c shows a circuit diagram of the 6T SRAM cell shown in Fig. 24a constructed using only n-type QWRTTs.
25A shows a single-ended 3T SRAM cell constructed using a buffer and an access transistor.
FIG. 25B shows a circuit diagram of the 3T SRAM cell shown in FIG. 25A constructed using n-type and p-type QWRTTs.
Fig. 25c shows a circuit diagram of the 3T SRAM cell shown in Fig. 25a using only n-type QWRTTs.

이제 본 발명의 도면과 함께 나타낸 예시인 바람직한 실시예들을 상세하게 참조할 것이다. 본 발명은 바람직한 실시예와 연관하여 설명되겠지만, 그것은 본 발명을 이 실시예들로 제한하려는 의도가 아닌 것으로 이해될 것이다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 대안, 수정 및 등가물을 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 다음의 본 발명의 상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항들이 설명된다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 세부사항들 없이도 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우들에서, 공지된 방법들, 절차들, 구성요소들 및 회로들은 본 발명의 양상들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Reference will now be made in detail to preferred embodiments of the present invention, which are exemplified together with the drawings. Although the invention will be described in connection with preferred embodiments, it will be understood that it is not intended to limit the invention to these embodiments. Rather, the invention is intended to cover alternatives, modifications and equivalents as may be included within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. In addition, in the detailed description of the invention that follows, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well known methods, procedures, components and circuits have not been described in detail as not to unnecessarily obscure aspects of the present invention.

양자 와이어 공진 터널링 트랜지스터(Quantum Wire Resonant Tunneling Transistor: QWRTT)는 3-단자 디바이스이다. 도 1은 QWRTT(101)의 개략도를 도(schematic drawing)시한다. 상기 3단자는 이미터 단자(emitter terminal)(121), 베이스 단자(base terminal)(122) 및 컬렉터 단자(collector terminal)(123)를 포함한다. QWRTT(101)의 디바이스 구조는(device structure)이미터 영역(emitter region)(111), 베이스 영역(base region)(112), 컬렉터 영역(collector region)(113), 이미터 배리어 영역(emitter barrier region)(114), 및 컬렉터 배리어 영역(collector barrier region) (115)으로 구성된다. 이미터 영역(111), 베이스 영역(112) 및 컬렉터 영역(113)은 각각 2 이상의 금속 양자 와이어로 내장된(embedded) 반도체를 포함한다. 이미터 영역(111), 베이스 영역(112) 및 컬렉터 영역(113)의 반도체는 예를 들어 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘 게르마늄 합금일 수 있다. 이미터 배리어 영역(114) 및 컬렉터 배리어 영역(115)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄 합금과 같은 하나 이상의 반도체 재료로 만들어진다. 반도체는 도핑되지 않거나 가볍게 도핑될 수 있다.A Quantum Wire Resonant Tunneling Transistor (QWRTT) is a three-terminal device. 1 shows a schematic drawing of a QWRTT (101). The three terminals include an emitter terminal 121, a base terminal 122 and a collector terminal 123. The device structure of the QWRTT 101 includes an emitter region 111, a base region 112, a collector region 113, and an emitter barrier region. region 114, and a collector barrier region 115. Each of the emitter region 111, the base region 112, and the collector region 113 includes a semiconductor embedded with two or more metal quantum wires. The semiconductor of the emitter region 111, base region 112 and collector region 113 may be, for example, silicon, germanium or a silicon germanium alloy. Emitter barrier region 114 and collector barrier region 115 are made of one or more semiconductor materials such as silicon, germanium, or a silicon germanium alloy. Semiconductors can be undoped or lightly doped.

QWRTT는 2개의 상보형 디바이스 유형(complementary device types), 즉 n-형 및 p-형을 갖는다. 주요 캐리어는(carriers) n-형 QWRTT 내 전자 및 p-형 QWRTT내 정공(holes)이다. 도 2a는 n-형 QWRTT(201)의 밴드 다이어그램을(band diagram) 도시하고, 도 2b는 p-형 QWRTT(202)의 밴드 다이어그램을 도시한다. n-형 QWRTT(201) 및 p-형 QWRTT(202)는 각각 이미터 영역(211), 베이스 영역(212), 컬렉터 영역(213), 이미터 배리어 영역(214) 및 컬렉터 배리어 영역(215)을 포함한다. E C 는 반도체의 전도 밴드 엣지이고(conduction band edge), E V 는 원자가 밴드 엣지이다(valence band edge). E F 는 양자 와이어를 형성하는 금속의 페르미 준위(Fermi level)이다. n-형 QWRTT(201)에 있어서, E F E V 보다 E C 에 더 가깝고, 전자에 대한 쇼트키 배리어 높이(Schottky barrier height)

Figure pat00004
는 정공에 대한 쇼트키 배리어 높이
Figure pat00005
보다 작다. 따라서 주요 캐리어는 전자이다. 반면, p-형 QWRTT(202)에 대하여, E F E C 보다 E V 에 더 가깝고,
Figure pat00006
Figure pat00007
보다 작다. 따라서, 주요 캐리어는 정공이다.QWRTT has two complementary device types, n-type and p-type. The major carriers are electrons in n-type QWRTTs and holes in p-type QWRTTs. 2A shows a band diagram of an n-type QWRTT (201), and FIG. 2B shows a band diagram of a p-type QWRTT (202). The n-type QWRTT 201 and the p-type QWRTT 202 include an emitter region 211, a base region 212, a collector region 213, an emitter barrier region 214, and a collector barrier region 215, respectively. includes E C is the conduction band edge of the semiconductor, and E V is the valence band edge. E F is the Fermi level of the metal forming the quantum wire. For the n-type QWRTT (201), E F is closer to E C than E V , and the Schottky barrier height for electrons
Figure pat00004
is the Schottky barrier height for holes
Figure pat00005
smaller than Therefore, the major carriers are electrons. On the other hand, for the p-type QWRTT (202), E F is closer to E V than E C ,
Figure pat00006
Is
Figure pat00007
smaller than Therefore, the major carriers are holes.

실리콘은 다이아몬드 입방(diamond cubic) 격자 구조(lattice structure)를 가지며, 이 구조는 0.34의 원자 충진율(atomic packing factor)을 갖는 매우 개방된 구조이다. 도 3a는 <110> 방향에서 본 실리콘 격자 구조를 도시한다. 실리콘 원자들(301)에 의해 형성된 벌집 구조(honeycomb structure)가 보여질 수 있다. 벌집 구조는 육각형 중공 셀(hexagonal hollow cell)(302)의 어레이를 갖는다. 각 셀은 중앙에 큰 개구를(opening) 갖는다. 개구는 이온 주입(ion implantation) 공정에서 개방 채널(open channel)(303)을 형성한다. 실리콘의 예에서, 개방 채널들은 <110> 방향을 따라 배향되고 실질적으로 서로 평행하다. 가벼운 원소의(light element) 이온이 개방 채널 방향을 따라 주입되면, 이온은 어떠한 표적 핵과도 마주치지 않고 그러한 개방 채널들을 따라 조향될 것이다. 주입 범위는(implant range) 다른 방향들보다 훨씬 길 수 있다. 이러한 효과는 이온 채널링이라(ion channeling) 불린다. 이는 대부분의 반도체 공정에는 바람직하지 않은 효과이다. 그러나, 이 바람직하지 않은 이온 채널링 효과는 원자 크기의 양자 와이어들을 생성하는데 사용될 수 있다. 도 3b는 이온 주입 후 <110> 방향에서 본 실리콘 격자 구조를 도시한다. 금속 원자들(304)은 도 3b에 도시된 바와 같이 개방 채널(303)에 매립된다. 양자 와이어들은 개방 채널(303)의 금속 원자(304)가 연속적으로 분포되고 전기적으로 연결될 때 형성된다.Silicon has a diamond cubic lattice structure, which is a very open structure with an atomic packing factor of 0.34. Figure 3a shows a silicon lattice structure viewed from the <110> direction. A honeycomb structure formed by silicon atoms 301 can be seen. The honeycomb structure has an array of hexagonal hollow cells 302 . Each cell has a large opening in the center. The aperture forms an open channel 303 in an ion implantation process. In the silicon example, the open channels are oriented along the <110> direction and are substantially parallel to each other. If ions of a light element are implanted along the open channel direction, the ions will be directed along those open channels without encountering any target nuclei. The implant range can be much longer than in other directions. This effect is called ion channeling. This is an undesirable effect for most semiconductor processes. However, this undesirable ion channeling effect can be used to create atomic-sized quantum wires. Figure 3b shows the silicon lattice structure viewed from the <110> direction after ion implantation. Metal atoms 304 are embedded in the open channel 303 as shown in FIG. 3B. Quantum wires are formed when metal atoms 304 in open channels 303 are continuously distributed and electrically connected.

QWRTT를 구축하기 위한 예시적인 제조 프로세스(fabrication process)가 아래에 설명된다. 도 4a는 이온 주입 단계에서의 층 구조를(layer structure) 도시하고, 도 4b는 금속층이 패터닝된 후의(patterned) 층 구조를 도시한다. 출발 재료는 절연체상의 실리콘(silicon-on-insulator: SOI)(110) 웨이퍼(401)이다. 웨이퍼는 약 100

Figure pat00008
의 두께를 갖는 상부 실리콘 층(top silicon layer)(402), 중간 산화물층(mid oxide layer)(403) 및 하부 실리콘 기판(silicon substrate)(404)을 포함한다. 상부 실리콘 층(402)은 도 3a에 도시된 바와 같이 개방 채널들(303)을 포함하는 결정 격자를 갖는다. 상부 실리콘 층(402)의 두께는 일반적으로 500
Figure pat00009
미만이다. 이산화 규소(silicon dioxide SiO2)의 층(405)이 증착되고(deposit) 패턴화된다. SiO2 층(405)은 이온 주입 단계를 위한 마스크 층(mask layer)으로 사용된다. 이산화 규소 외에도, 질화 규소(silicon nitride Si3N4), 폴리실리콘 (polysilicon), 금속 및 포토레지스트와(photoresist) 같이 완전히 다양한 물질들은 이온 주입을 위한 마스킹 물질들로서 사용될 수 있다. 적합한 일함수들을 갖는 금속들의 이온들은 <110> 방향으로 실리콘 웨이퍼에 수직으로 주입된다. 주입된 이온들은 개방 채널들(303)을 따라 이동한다. 이산화 규소가 비정질이기(amorphous) 때문에 채널들은 실리콘-산화물 계면에서 끝난다. 주입 후, 개방 채널들(303)은 금속 원자들로 채워지고, 양자 와이어들(406)이 형성된다. 표면상의 실리콘 격자에 대한 주입 손상은(implantation damage) 화학적 에칭에(chemical etch) 의해 제거된다. 상호 연결을(interconnection) 위해 금속 층(407)이 증착되고 패턴화된다.An exemplary fabrication process for building QWRTT is described below. Fig. 4a shows the layer structure in the ion implantation step, and Fig. 4b shows the layer structure after the metal layer is patterned. The starting material is a silicon-on-insulator (SOI) 110 wafer 401 . Wafer is about 100
Figure pat00008
It includes a top silicon layer 402, a mid oxide layer 403 and a lower silicon substrate 404 having a thickness of . Upper silicon layer 402 has a crystal lattice that includes open channels 303 as shown in FIG. 3A. The thickness of the upper silicon layer 402 is typically 500
Figure pat00009
is less than A layer 405 of silicon dioxide SiO 2 is deposited and patterned. The SiO 2 layer 405 is used as a mask layer for the ion implantation step. Besides silicon dioxide, a whole variety of materials can be used as masking materials for ion implantation, such as silicon nitride Si 3 N 4 , polysilicon, metals and photoresists. Ions of metals with suitable work functions are implanted vertically into the silicon wafer in the <110> direction. The implanted ions move along the open channels 303 . Since silicon dioxide is amorphous, the channels terminate at the silicon-oxide interface. After implantation, open channels 303 are filled with metal atoms, and quantum wires 406 are formed. Implantation damage to the silicon grid on the surface is removed by chemical etch. A metal layer 407 is deposited and patterned for interconnection.

도 4b에 도시된 바와 같이, 이미터 영역(411), 베이스 영역(412) 및 컬렉터 영역(413)은 반도체(402)에 매립된 금속 양자 와이어 (406)를 갖는다. 이미터 영역(411) 및 베이스 영역(412)은 이미터 배리어 영역(414)에 의해 분리된다. 컬렉터 영역(413) 및 베이스 영역(412)은 컬렉터 배리어 영역(415)에 의해 분리된다. W E 는 이미터 영역(411)의 폭이고, W B 는 베이스 영역(412)의 폭이고, W C 는 컬렉터 영역(413)의 폭이고, W EB 는 이미터 배리어 영역(414)의 폭이고, W CB 는 컬렉터 배리어 영역(415)의 폭이다.As shown in FIG. 4B , the emitter region 411 , the base region 412 and the collector region 413 have a metal quantum wire 406 buried in a semiconductor 402 . Emitter region 411 and base region 412 are separated by emitter barrier region 414 . The collector region 413 and the base region 412 are separated by a collector barrier region 415 . W E is the width of the emitter region 411, W B is the width of the base region 412, W C is the width of the collector region 413, W EB is the width of the emitter barrier region 414, , W CB is the width of the collector barrier region 415 .

일부 실시예에서, 금속 양자 와이어(406)는 실리콘층(402)에 대략 수직일 수 있다. 금속 양자 와이어(406)의 길이는 일반적으로 500

Figure pat00010
보다 짧다. 이미터 영역(411), 베이스 영역(412) 및 컬렉터 영역(413)은 이미터-베이스-컬렉터(E-B-C) 방향을 따라 동일하거나 상이한 개수의 금속 양자 와이어(406)를 가질 수 있다. 더욱이, 이미터 영역(411), 베이스 영역(412) 및 컬렉터 영역(413)에 있는 금속 양자 와이어(406)는 동일하거나 상이한 물질들로 형성될 수 있다.In some embodiments, metal quantum wire 406 may be approximately perpendicular to silicon layer 402 . The length of the metal quantum wire 406 is typically 500
Figure pat00010
shorter than The emitter region 411 , the base region 412 , and the collector region 413 may have the same or different numbers of metal quantum wires 406 along the emitter-base-collector (EBC) direction. Moreover, the metal quantum wires 406 in the emitter region 411 , base region 412 and collector region 413 may be formed of the same or different materials.

QWRTT 제조 과정에서, 포토리소그래피(photolithography)는 해상도(resolution) 와 정밀도라는(registration) 엄격한 요건을 충족해야 한다. 양자 디바이스로서, QWRTT는 매우 작은 크기를 갖는다. 시뮬레이션에서 전형적인 디바이스는 W EB = W CB = 26

Figure pat00011
W E = W B = W C = 10
Figure pat00012
의 치수를 갖는다. 극자외선(EUV) 리소그래피 (lithography)의 출현으로, 해상도 요구사항은 다중 패터닝(multiple patterning)과 측벽 스페이서(sidewall spacers)와 같은 다른 기술들과 EUV 리소그래피를 결합함으로써 달성될 수 있다. 일반적으로 정밀도는 마스크 위의 패턴들이 얼마나 정확하게 웨이퍼 위에 이전에 정의된 패턴들에 정렬될 수 있는지 측정하는 것이다. 예시적인 QWRTT 제조 과정에서, 오픈 채널(303)이 이온 주입 단계에서 완전히 개방되거나 차폐되도록 정밀하게 제어될 수 있게 주입 마스크 층(405) 이 실리콘 격자 구조로 정렬될 필요가 있다. 마스크 위의 패턴들이 웨이퍼 표면에서 격자 구조로 정렬되는 것이 리소그래피의 새로운 요구 사항이다. 원자 규모의 해상도로 웨이퍼 표면을 이미지화 할 수 있는 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope: STM)와 같은 현미경들이 있다. 이미지 정보는 마스크 정렬을 위해 리소그래피 장비로 제공되고 마스크 층은 웨이퍼 표면 격자 구조로 정렬될 수 있다.In the QWRTT manufacturing process, photolithography must meet stringent requirements for resolution and registration. As a quantum device, the QWRTT has a very small size. A typical device in the simulation is W EB = W CB = 26
Figure pat00011
and W E = W B = W C = 10
Figure pat00012
has the dimensions of With the advent of extreme ultraviolet (EUV) lithography, resolution requirements can be achieved by combining EUV lithography with other techniques such as multiple patterning and sidewall spacers. In general, precision is a measure of how accurately the patterns on the mask can be aligned to previously defined patterns on the wafer. In the exemplary QWRTT fabrication process, the implant mask layer 405 needs to be aligned with the silicon lattice structure so that the open channels 303 can be precisely controlled to be fully open or shielded during the ion implantation step. Aligning the patterns on the mask into a grid structure on the wafer surface is a new requirement in lithography. There are microscopes such as scanning tunneling microscopes (STMs) that can image wafer surfaces with atomic-scale resolution. Image information is provided to the lithography tool for mask alignment and the mask layer may be aligned in a wafer surface grid structure.

도 4b에 도시된 바와 같이 이미터/베이스/컬렉터(E/B/C) 영역(411 내지 413)은 초격자 구조(superlattice structure)로 간주될 수 있는 금속과 반도체의 주기적인 구조이다. 금속 양자 와이어 내의 전자들은 2차(2-D) 포텐셜 우물(potential well)로 제한된다. 도 2a에 도시된 기저 상태 에너지(ground state energy)(E 1 )는 W E , W B , 및 W C 와 같은 초격자 크기(superlattice size) 및 (

Figure pat00013
)와 같은 포텐셜 배리어 높이의(potential barrier height) 함수인 것으로 밝혀졌다. 도 5는 E-B-C 방향인 전류 흐름 방향을 따라 초격자 내에서 양자 와이어의 개수(N)에 대한 함수로서 전자에 대한 기저 상태 에너지(E 1 )를 도시한다. 포텐셜 배리어 높이(
Figure pat00014
)는 0.42eV인 것으로 간주된다. 초격자 크기는 양자 와이어의 개수(N)에 비례하므로, 더 많은 양자 와이어를 갖는 더 큰 초격자일수록 E 1 이 더 작다는 것을 발견했다.As shown in FIG. 4B, the emitter/base/collector (E/B/C) regions 411 to 413 are periodic structures of metal and semiconductor that can be regarded as a superlattice structure. Electrons in metal quantum wires are confined to a second-order (2-D) potential well. The ground state energy ( E 1 ) shown in FIG. 2a is superlattice size such as W E , W B , and W C , and (
Figure pat00013
) was found to be a function of the potential barrier height equal to 5 shows the ground state energy E 1 for an electron as a function of the number N of quantum wires in the superlattice along the direction of current flow, which is the EBC direction. Potential barrier height (
Figure pat00014
) is considered to be 0.42 eV. Since the superlattice size is proportional to the number of quantum wires ( N ), we found that the larger the superlattice with more quantum wires, the smaller E 1 .

QWRTT의 디바이스 특성(device characteristics) 은 1차원(1-D) 시간-독립적(time-independent) 슈뢰딩거 방정식을(Schrodinger equation) 풀면 얻을 수 있다.Device characteristics of QWRTT can be obtained by solving the one-dimensional (1-D) time-independent Schrödinger equation.

Figure pat00015
(1)
Figure pat00015
(One)

여기서

Figure pat00016
파동 함수(wave function)이고, U(x)는 포텐셜 에너지(potential energy)이고, E는 총 에너지이고, m은 캐리어 유효 질량(carrier effective mass)이며,
Figure pat00017
는 감소된 플랑크 상수(reduced Planck constant)이다. 일반적인 해는 다음의 형태를 갖는다.here
Figure pat00016
is the wave function, U(x) is the potential energy, E is the total energy, m is the carrier effective mass,
Figure pat00017
is the reduced Planck constant. A general solution has the form

Figure pat00018
(2)
Figure pat00018
(2)

여기서,

Figure pat00019
는 파동 수(wave number)이고, 다음과 같이 주어진다.here,
Figure pat00019
is the wave number and is given by

Figure pat00020
(3)
Figure pat00020
(3)

터널링 확률(tunneling probability) 또는 투과 계수(transmission coefficient) T는 다음과 같이 주어진다.The tunneling probability or transmission coefficient T is given by

Figure pat00021
(4)
Figure pat00021
(4)

여기서 A C A E 는 각각 콜렉터와 이미터의 계수(A)이다. 페르미의 황금률(Fermi's golden rule)에 따르면, 이미터로부터 컬렉터로의 터널링 전류(tunneling current)는 이미터에서 점유 상태와(occupied states) 컬렉터에서 비점유 상태를(unoccupied states) 곱한 투과 계수에 비례한다. 컬렉터에서 이미터로의 터널링 전류는 상응하게 얻어질 수 있다. 페르미 황금률은 비례 관계를 말하므로, 본 발명에서 보여주는 터널링 전류는 임의의 단위(arbitrary unit: a.u.)를 눈금으로서 사용한다. 터널링 전류는 다음과 같이 주어진다.where A C and A E are the coefficients ( A) of the collector and emitter, respectively. According to Fermi's golden rule, the tunneling current from the emitter to the collector is proportional to the transmission coefficient multiplied by the occupied states at the emitter and the unoccupied states at the collector. . The tunneling current from collector to emitter can be obtained correspondingly. Since the Fermi golden ratio refers to a proportional relationship, the tunneling current shown in the present invention uses an arbitrary unit (au) as a scale. The tunneling current is given by

Figure pat00022
(5)
Figure pat00022
(5)

Figure pat00023
(6)
Figure pat00023
(6)

F E F C 는 각각 이미터와 컬렉터의 페르미-디랙 분배 함수들이다(Fermi-Dirac distribution functions).

Figure pat00024
Figure pat00025
는 각각 이미터와 컬렉터의 상태 밀도(density of states: DOS)이다. QWRTT는 E/B/C 영역에서 1차원 (1-D) 금속 양자 와이어들을 갖으므로, 캐리어들은 아래 주어진 1차원 상태 밀도(DOS)
Figure pat00026
갖는다. F E and F C are the Fermi-Dirac distribution functions of the emitter and collector, respectively.
Figure pat00024
and
Figure pat00025
is the density of states (DOS) of the emitter and collector, respectively. Since QWRTT has one-dimensional (1-D) metal quantum wires in the E/B/C domain, the carriers have a one-dimensional density of states (DOS) given below.
Figure pat00026
cast have

Figure pat00027
(7)
Figure pat00027
(7)

여기서 EE 1 보다 크다. 순 터널링 전류(net tunneling current) I는 아래와 같이 표현된다.where E is greater than E 1 . The net tunneling current I is expressed as

Figure pat00028
(8)
Figure pat00028
(8)

배리어 높이가 보다 낮은 에너지를 갖는 캐리어가 포텐셜 배리어를 통해 이동할 때, 이 캐리어는 터널링 전류에 기여한다. 배리어 높이 보다 높은 에너지를 갖는 캐리어가 포텐셜 배리어를 통해 이동할 때, 이 캐리어는 열이온 방출 전류에(thermionic emission current) 기여한다. Eq. 8의 적분은 E 1 에서 무한(또는 배리어 높이 보다 훨씬 더 높은 에너지)으로 발생된다. Eq. 8로부터 얻은 전류는 터널링 전류 및 열이온 방출 전류를 모두 포함한다. 장치 바이어스가 매우 작기 때문에, 배리어 높이 보다 높은 에너지를 얻을 수 있는 캐리어는 거의 없다. 열이온 방출 전류는 무시할 수 있다. 양자학적 터널링 효과는 캐리어 전송 과정의 가장 중요한 특징이다. Eq. 8로부터 얻은 전류는 주로 터널링 전류에 기인한다.When carriers with lower energy in the barrier height travel through the potential barrier, they contribute to the tunneling current. When carriers with higher energy than the barrier height travel through the potential barrier, they contribute to the thermionic emission current. Eq. The integral of 8 occurs at E 1 to infinity (or energy much higher than the barrier height). Eq. The current obtained from Fig. 8 includes both tunneling current and thermionic emission current. Since the device bias is very small, few carriers can gain energy above the barrier height. The thermionic emission current is negligible. The quantum tunneling effect is the most important feature of the carrier transport process. Eq. The current obtained from 8 is mainly due to the tunneling current.

E/B/C 영역들이 동일한 초격자 구조(즉, 양자 와이어의 개수(N) 및 페르미 준위(E F )는 E/B/C 영역에서 동일하다)를 가질 때, 그들의 E 1 값들은 동일하다. E 1 은 E/B/C 영역에서 "정렬"(in alignment)되었다고 할 수 있다. 양자 와이어의 개수(N)는 E/B/C 영역에서 이미터-베이스-컬렉터(E-B-C) 방향을 따라 각각 N E , N B , 및 N C 로 표시된다. 기저 상태 에너지(E 1 )은 E/B/C 영역에서 각각 E 1E , E 1B , 및 E 1C 로 표시된다. 전자에 대한 쇼트키 배리어 높이(

Figure pat00029
)는 E/B/C 영역에서 각각
Figure pat00030
,
Figure pat00031
, 및
Figure pat00032
로 표시된다. 정공에 대한 쇼트키 배리어 높이(
Figure pat00033
)는 E/B/C 영역에서 각각
Figure pat00034
,
Figure pat00035
, 및
Figure pat00036
로 표시된다.When the E/B/C regions have the same superlattice structure (ie, the number of quantum wires ( N ) and the Fermi level ( E F ) are the same in the E/B/C region), their E 1 values are the same. . E 1 can be said to be "in alignment" in the E/B/C area. The number of quantum wires ( N ) is indicated as N E , N B , and N C respectively along the emitter-base-collector (EBC) direction in the E/B/C region. The ground state energies ( E 1 ) are represented by E 1E , E 1B , and E 1C in the E/B/C domains, respectively. Schottky barrier height for electrons (
Figure pat00029
) are respectively in the E/B/C area
Figure pat00030
,
Figure pat00031
, and
Figure pat00032
is indicated by Schottky barrier height for holes (
Figure pat00033
) are respectively in the E/B/C area
Figure pat00034
,
Figure pat00035
, and
Figure pat00036
is indicated by

일부 실시예에서, 이미터 영역(111), 베이스 영역(112) 및 컬렉터 영역(113)(도 1에 도시됨)은 각각 E-B-C 방향을 따라 반도체에 매립된 3개의 금속 양자 와이어들을 포함한다. 도 6은 전자 투과 계수 및 1-D DOS

Figure pat00037
대(versus) N E = N B = N C = 3이고
Figure pat00038
=
Figure pat00039
=
Figure pat00040
= 0.42eV, W EB = W CB = 26
Figure pat00041
V E = V B = V C = 0V인 n-형 QWRTT의 에너지를 도시한다. T 1 은 베이스와 컬렉터 사이(또는 베이스와 이미터 사이)의 싱글-배리어 구조(single-barrier structure)에 대한 투과 계수이다. T 2 는 이미터와 컬렉터 사이의 더블-배리어 구조(double-barrier structure)에 대한 투과 계수이다. T 2 는 공진 터널링 효과를 나타낸다(resonant tunneling effect). 주입된 전자가 E 1 의 에너지를 가질 때, T 2 는 100%의 최대치에 도달한다. 디바이스는 "공진 상태에"(in resonance) 있다고 말할 수 있고, 이미터와 컬렉터 사이에 전압 차가 존재하면 더블-배리어 구조를 통해 최대량의 전류가 흐를 수 있다. T 2 E 1 에서 벗어날 수록 급격하게 감소한다.In some embodiments, emitter region 111 , base region 112 and collector region 113 (shown in FIG. 1 ) each include three metal quantum wires buried in a semiconductor along the EBC direction. 6 is electron transmission coefficient and 1-D DOS
Figure pat00037
versus N E = N B = N C = 3 and
Figure pat00038
=
Figure pat00039
=
Figure pat00040
= 0.42 eV, W EB = W CB = 26
Figure pat00041
and the energy of an n-type QWRTT where V E = V B = V C = 0V. T 1 is the transmission coefficient for a single-barrier structure between base and collector (or between base and emitter). T 2 is the transmission coefficient for a double-barrier structure between the emitter and the collector. T 2 represents a resonant tunneling effect (resonant tunneling effect). When the injected electron has an energy of E 1 , T 2 reaches a maximum value of 100%. The device can be said to be "in resonance", and the maximum amount of current can flow through the double-barrier structure if there is a voltage difference between the emitter and collector. T 2 rapidly decreases as it moves away from E 1 .

싱글-배리어 구조의 배리어 폭은 더블-배리어 구조의 결합된 배리어 폭보다 좁다. 도 6에 도시된 바와 같이, T 2 는 대부분의 에너지 값에서 T 1 보다 작다. 에너지가 E 1 근처이고 디바이스가 공진 상태일 때만, T 2 T 1 보다 훨씬 커진다. 페르미 황금률에 따르면, 터널링 전류는 투과 계수에 비례한다. 베이스와 컬렉터 사이(또는 베이스와 이미터 사이)의 싱글-배리어 구조에 흐르는 베이스 누설 전류(base leakage current)는 T 1 에 비례하고, 이미터와 컬렉터 사이의 더블-배리어 구조에 흐르는 디바이스 구동 전류(device driving current)는 T 2 에 비례한다. 1차원(1-D) 상태 밀도 σ 1-D E 1 에서 최대이며, E 1 을 벗어나면 급격히 떨어진다. T 2 σ 1-D 모두는 에너지가 E1 근처일 때 최대이다. QWRTT는 (a) 전류 전도 매커니즘이 공진 터널링 효과이고 (b) 이미터 및 컬렉터가 1차원 상태 밀도를 갖는 1차원 양자 와이어 구조를 갖기 때문에 큰 구동 전류와 작은 베이스 누설 전류를 가질 수 있다.The barrier width of the single-barrier structure is narrower than the combined barrier width of the double-barrier structure. As shown in FIG. 6 , T 2 is smaller than T 1 at most energy values. T 2 becomes much greater than T 1 only when the energy is near E 1 and the device is in resonance. According to Fermi's Golden Rule, the tunneling current is proportional to the transmission coefficient. The base leakage current flowing in the single-barrier structure between the base and the collector (or between the base and the emitter) is proportional to T 1 , and the device driving current flowing in the double-barrier structure between the emitter and the collector ( device driving current) is proportional to T 2 . The one-dimensional (1-D) density of states, σ 1-D , is maximum at E 1 and drops off rapidly beyond E 1 . Both T 2 and σ 1-D are maximal when the energy is around E1. QWRTT can have a large drive current and a small base leakage current because (a) the current conduction mechanism is a resonant tunneling effect and (b) the emitter and collector have a one-dimensional quantum wire structure with a one-dimensional density of states.

도 7a는 N E = N B = N C = 3,

Figure pat00042
=
Figure pat00043
=
Figure pat00044
= 0.42eV, W EB = W CB = 26
Figure pat00045
, V E = 0 V 및 V C = 1mV인 n-형 QWRTT의 전송 I-V곡선을(transfer I-V curve) 도시한다. 디바이스 구동 전류(I CE )는 컬렉터 단자(123) 및 이미터 단자(121) 사이의 전류이다(도 1에 도시됨). I CE 는 전자 전류(electron current I CEe ) 및 정공 전류(hole current I CEh )가 결합된 전류, 즉, I CE = I CEe + I CEh 이다. 전자와 정공 전류는 V B 의 변화에 대해 다르게 행동하기 때문에, n-형 디바이스는 전자들이 다수의 캐리어이고 정공 전류가 동작 범위에서 항상 전자 전류 보다 작도록 설계된다. 본 발명에 표시된 모든 시뮬레이션 결과는 300°K의 온도에서 수행된다. 대부분의 재료 특성은 양자학적 터널링 효과가 온도에 무관해도 온도에 따라 좌우된다.7a shows that N E = N B = N C = 3,
Figure pat00042
=
Figure pat00043
=
Figure pat00044
= 0.42 eV, W EB = W CB = 26
Figure pat00045
, the transfer IV curve of the n-type QWRTT with V E = 0 V and V C = 1 mV. The device drive current ( I CE ) is the current between the collector terminal 123 and the emitter terminal 121 (shown in FIG. 1). I CE is a combined current of electron current I CEe and hole current I CEh , that is, I CE = I CEe + I CEh . Since electron and hole currents behave differently to changes in V B , n-type devices are designed so that electrons are the majority carriers and the hole current is always less than the electron current over the operating range. All simulation results presented herein are performed at a temperature of 300°K. Most material properties are temperature dependent, even though the quantum tunneling effect is temperature independent.

전자 전류(I CEe )는 V B 가 대략 0V일 때 피크에 도달한다. V B 가 [0,50]mV의 범위에 있을 때, I CEe V B 의 증가에 따라 감소한다. I CEe 는 공진 터널링 효과로 인해 음의 차동 저항(negative differential resistance: NDR) 현상을 나타낸다. 피크 대 밸리 전류 비(peak-to-valley current ratio)는 온/오프 전류 비율(on/off current ratio)을 도입하기 위해 약 세 자릿수이다. 정공 전류(I CEh ) 역시 V B 가 공진 터널링 효과로 인해 [-50,0]mV범위에 있을 때, NDR 현상을 나타낸다.The electron current ( I CEe ) reaches a peak when V B is approximately 0V. When V B is in the range of [0,50] mV, I CEe decreases as V B increases. I CEe exhibits a negative differential resistance (NDR) phenomenon due to the resonant tunneling effect. The peak-to-valley current ratio is about three orders of magnitude to introduce an on/off current ratio. The hole current ( I CEh ) also exhibits the NDR phenomenon when V B is in the [-50,0] mV range due to the resonant tunneling effect.

스윙(swing) S은 디바이스 전류를 1 디케이드(one decade)만큼 바꾸도록 요구되는 제어 전압(control voltage)(MOSFET의 게이트 전압(V G ) 또는 QWRTT의 베이스 전압(V B ))의 변화로 정의된다. 작은 스윙은 전송 I-V 곡선이 가파른 기울기를 가지고 있음을 의미한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 스윙은 V B 가 0 V 부근에 있을 때 매우 작은 값을 갖는다. 예를 들어, V B 가 [0, 5]mV의 양의 범위에 있을 때 S = 3mV/dec이고, V B 가 [-5, 0]mV의 음의 범위에 있을 때 S = 7.4mV/dec이다. 트랜지스터가 제어 전압의 작은 변화로 온(on)과 오프(off) 사이에서 전환될 수 있도록, 스윙은 작도록 요구된다. 따라서 전원 전압(power supply voltage) 및 전력 소비가(power consumption) 감소될 수 있다. 이론적으로 실내 온도에서 기존 MOSFET의 최소 임계값 이하 스윙은 60mV/dec이다. QWRTT의 스윙은 MOSFET의 스윙보다 훨씬 작은 두 가지 주요 요인들에 기인한다: (a) 공진 터널링 및 (b) 1차원 상태 밀도.Swing S is defined as the change in the control voltage (the gate voltage ( V G ) of a MOSFET or the base voltage ( V B ) of a QWRTT) required to change the device current by one decade. do. A small swing means that the transmission IV curve has a steep slope. As shown in FIG. 7A, the swing has a very small value when V B is around 0 V. For example, when V B is in the positive range of [0, 5] mV, S = 3 mV/dec, and when V B is in the negative range of [-5, 0] mV, S = 7.4 mV/dec. am. The swing is required to be small so that the transistor can switch between on and off with small changes in the control voltage. Accordingly, power supply voltage and power consumption can be reduced. Theoretically, the swing below the minimum threshold of a conventional MOSFET at room temperature is 60mV/dec. The swing of the QWRTT is due to two main factors that are much smaller than that of the MOSFET: (a) resonant tunneling and (b) one-dimensional density of states.

도 7b는 V C = V CC V E = 0V인 동일한 디바이스의 V B 대 선형 스케일의 디바이스 구동 전류(I CE )를 도시한다. 전원 전압(V CC )은 50mV로 가정한다. 디바이스 구동 전류는 V B 가 약 0V일 때 최대이다. 전류는 V B 가 0V에서 벗어날 때 급격히 떨어진다. I-V 곡선은 V B = 0V에 대해 거의 대칭인 임펄스(impulse)처럼 보인다. QWRTT는 임펄스 같은 I-V특성 곡선을 가진 유일하게 알려진 디바이스이다. 디바이스는 V B = 0 V일 때 켜지고, V B +V CC 또는 -V CC 일 때 꺼진다. E 1 이 E/B/C영역에서 정렬될 때(즉, E 1E = E 1B = E 1C ) QWRTT는 노멀리 온 트랜지스터(normally on transistor)이다.7B plots V B versus device drive current ( I CE ) on a linear scale for the same device with V C = V CC and V E = 0V. The supply voltage ( V CC ) is assumed to be 50mV. The device drive current is maximum when V B is approximately 0V. The current drops rapidly when V B moves away from 0V. The IV curve looks like a nearly symmetrical impulse for V B = 0V. QWRTT is the only known device with an impulse-like IV characteristic curve. The device turns on when V B = 0 V and turns off when V B equals +V CC or -V CC . When E 1 is aligned in the E/B/C region (ie, E 1E = E 1B = E 1C ), QWRTT is a normally on transistor.

온 전압(on voltage V ON )은 QWRTT가 켜져 있을 때 베이스-이미터 전압(V BE )또는 V E = 0V인 경우 베이스 전압(V B )으로 정의된다. V ON = 0V인 노멀리 온 트랜지스터는 V B = V E = 0V일 때 켜져 있다. 그러나 이것이 V B = 0V일 때 디바이스 전류가 최대라는 의미는 아니다. 시뮬레이션에서 노멀리 온 디바이스의 디바이스 전류는 V B 가 약 0 V일 때 최대이지만 정확하게 0 V는 아닐 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이 V B = -1mV 일 때 I CEe 는 최대이고, 도 7b에 도시된 바와 같이 V B = -2mV 일 때 I CE 는 최대이다. 이러한 V B 의 값이 0V에 가깝기 때문에, V ON 은 디지털 회로(digital circuit) 발명에서 0V로 간주된다. V ON 은 주로 노멀리 온 트랜지스터 및 인핸스먼트 모드 트랜지스터(enhancement-mode transistor)를 구분 짓는데 사용된다. 예를 들어, V ON = 0V인 디바이스는 노멀리 온 트랜지스터이다. 양의 V ON 인 디바이스는 V BE 가 양수(예: V CC )일 때 켜지는 인핸스먼트 모드 트랜지스터이다. 음의 V ON 인 디바이스는 V BE 가 음수(예: -V CC )일 때 켜지는 인핸스먼트 모드 트랜지스터이다.The on voltage V ON is defined as the base-emitter voltage ( V BE ) when the QWRTT is on, or the base voltage ( V B ) when VE = 0V . A normally-on transistor with V ON = 0V is on when V B = VE = 0V . However, this does not mean that the device current is maximum when V B = 0V. The device current of a normally-on device in the simulation is maximum when V B is around 0 V, but may not be exactly 0 V. For example, as shown in FIG. 7A , I CEe is maximum when V B = -1 mV, and as shown in FIG. 7B , I CE is maximum when V B = -2 mV. Since the value of this V B is close to 0V, V ON is regarded as 0V in the digital circuit invention. V ON is primarily used to distinguish between normally-on transistors and enhancement-mode transistors. For example, a device with V ON = 0V is a normally on transistor. A device with positive V ON is an enhancement-mode transistor that turns on when V BE is positive (ie, V CC ). A device with negative V ON is an enhancement-mode transistor that turns on when V BE is negative (ie - V CC ).

도 7c는 V E = V B = 0V인 동일한 디바이스의 출력 특성을 도시한다. DC 전류 이득(DC current gain: h FE )은 트랜지스터의 증폭율이다. 그것은 디바이스 구동 전류 및 입력 전류의 비율이다. 입력 전류는 베이스-컬렉터 전류(I BC ) 및 베이스-이미터 전류(I BE )로 구성된 베이스 전류(I B )이다. V BE = 0V이므로, I BE = 0 이고 I B = I BC 이다. DC 전류 이득(h FE = I CE /I B )는 동작 범위가 7 내지 28의 범위에 있다. 더블-배리어 구조를 통해 흐르는 디바이스 구동 전류(I CE )는 싱글-배리어 구조를 통해 흐르는 베이스 전류(I B )보다 크며, 이는 공진 터널링 효과와 이미터와 컬렉터 영역 내 양자 와이어의 1차원 상태 밀도이다.Figure 7c shows the output characteristics of the same device with V E = V B = 0V. DC current gain ( h FE ) is the amplification factor of the transistor. It is the ratio of the device drive current and input current. The input current is the base current ( I B ) composed of the base-collector current ( I BC ) and the base-emitter current ( I BE ). Since V BE = 0V, I BE = 0 and I B = I BC . The DC current gain ( h FE = I CE / I B ) is in the operating range of 7 to 28. The device driving current ( I CE ) flowing through the double-barrier structure is greater than the base current ( I B ) flowing through the single-barrier structure, which is due to the resonant tunneling effect and the one-dimensional density of states of the quantum wires in the emitter and collector regions. .

도 8a는 N E = N B = N C = 3,

Figure pat00046
=
Figure pat00047
=
Figure pat00048
= 0.24eV, W EB = W CB = 26
Figure pat00049
, V E = 0V, 및 V C = -1mV인 p-형 QWRTT의 전송 I-V 곡선을 도시한다. 디바이스 구동 전류(I EC )는 이미터 단자(121) 및 컬렉터 단자(123) 사이의 전류이다(도 1에 도시됨). I EC 는 정공 전류(I ECh ) 및 전자 전류(I ECe )를 합한 전류, 즉, I EC = I ECh + I ECe 이다. p-형 QWRTT에서, 금속 페르미 준위(E F )는 전도대 가장자리보다 가전자대 가장자리에 더 가깝기 때문에, 1차 캐리어들은 정공들이다. 전자 전류는 항상 작동 범위에서 정공 전류보다 작다. 정공 전류(I ECh )는 최대이고, 디바이스는 V B 가 0 V일 때 공진 상태에 있다. 정공 전류(I ECh )는 V B 가 [-50, 0]mV의 범위에 있을 때 NDR 현상을 나타낸다. 피크 대 밸리 전류 비는 약 두 자릿수이다. 전자 전류(I CEe )는 V B 가 [0, 50]mV의 범위에 있을 때 NDR 현상을 나타낸다. 정공 전류(I CEh )는 V B 가 0 V에 가까울 때 작은 스윙을 갖는다. V B 가 [-5, 0]mV의 음의 범위에 있을 때 S = 3.3mV/dec이고, V B 가 [0, 5]mV의 양의 범위에 있을 때 S = 8.1mV/dec이다.8a shows that N E = N B = N C = 3,
Figure pat00046
=
Figure pat00047
=
Figure pat00048
= 0.24 eV, W EB = W CB = 26
Figure pat00049
, V E = 0 V, and V C = -1 mV, showing the transmission IV curve of the p-type QWRTT. The device drive current ( I EC ) is the current between the emitter terminal 121 and the collector terminal 123 (shown in FIG. 1). I EC is the sum of the hole current ( I ECh ) and the electron current ( I ECe ), that is, I EC = I ECh + I ECe . In p-type QWRTT, the primary carriers are holes because the metallic Fermi level ( E F ) is closer to the valence band edge than the conduction band edge. The electron current is always less than the hole current in the operating range. The hole current ( I ECh ) is at its maximum and the device is in resonance when V B is 0 V. The hole current ( I ECh ) exhibits NDR when V B is in the range of [-50, 0] mV. The peak-to-valley current ratio is in the order of two orders of magnitude. The electron current ( I CEe ) exhibits the NDR phenomenon when V B is in the range of [0, 50] mV. The hole current ( I CEh ) has a small swing when V B is close to 0 V. When V B is in the negative range of [-5, 0] mV, S = 3.3 mV/dec, and when V B is in the positive range of [0, 5] mV, S = 8.1 mV/dec.

그림 8b는 V C = -V CC = -50mV 및 V E = 0V인 동일한 디바이스의 V B 대 선형 스케일의 디바이스 구동 전류(I EC )를 도시한다. 드라이빙 구동 전류는 V B 가 대략 0 V일 때 최대이다. 전류는 V B 가 0V에서 벗어날 때 급격하게 감소한다. 임펄스 같은 I-V 곡선은 V B = 0V에 대해 거의 대칭인 임펄스처럼 보인다. V B = V ON = 0V일 때 디바이스는 켜져 있고, V B +V CC 또는 -V CC 일 때 디바이스는 꺼져있다. p-형 QWRTT는 E 1 이 E/B/C 영역에서 정렬될 때(즉, E 1E = E 1B = E 1C ), V ON = 0 V를 갖는 노멀리 온 트랜지스터이다.Figure 8b shows the device drive current ( I EC ) on a linear scale versus V B for the same device with V C = -V CC = -50mV and V E = 0V. Driving The driving current is maximum when V B is approximately 0 V. The current rapidly decreases when V B moves away from 0V. The impulse-like IV curve looks like an almost symmetrical impulse for V B = 0V. When V B = V ON = 0V, the device is on, and when V B is +V CC or -V CC , the device is off. A p-type QWRTT is a normally on transistor with V ON = 0 V when E 1 is aligned in the E/B/C region (ie, E 1E = E 1B = E 1C ).

그림 8c는 V E = V B = 0V인 동일한 디바이스의 출력 특성을 도시한다. 베이스-컬렉터 전류(I BC )가 V BE = 0V로 인해 0이기 때문에 베이스 전류(I B )는 베이스-컬렉터 전류(I BC )와 동일하다. DC 전류 이득(h FE = I EC /I B ) 범위는 작동 범위 내에서 1.5 내지 12의 범위를 갖고, 이는 정공 유효 질량이 실리콘의 전자 유효 질량 보다 크기 때문에 n-형 디바이스의 것보다 작다. 도 7c 및 도 8c에서 두 디바이스들이 동일한 차원을 갖기 때문에, 유효 질량은 시뮬레이션에서 n-형 및 p-형 디바이스 간의 주요 차이점이다.Figure 8c shows the output characteristics of the same device where V E = V B = 0V. Since the base-collector current ( I BC ) is zero due to V BE = 0V, the base current ( I B ) is equal to the base-collector current ( I BC ). The DC current gain ( h FE = I EC / I B ) ranges from 1.5 to 12 within the operating range, which is smaller than that of n-type devices because the hole effective mass is larger than the electron effective mass of silicon. Since both devices in FIGS. 7c and 8c have the same dimensions, the effective mass is the main difference between the n-type and p-type devices in the simulation.

도 7c 및 도 8c는 n- 및 p형 노멀리 온 QWRTT들의 출력 특성을 도시한다. 베이스 전류(I B )는 |V C |가 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 반면, 디바이스 구동 전류는 |V C |가 약 30mV 보다 클 때 포화된다. 포화 영역에서, 디바이스 구동 전류는 |V C |의 변화와 관련하여 대략적으로 상수로 유지된다. 따라서, 전원 전압(V CC )의 스케일링 다운(scaling down)은 포화 영역에서 노멀리 온 트랜지스터의 디바이스 구동 전류가 V CC 와 거의 독립적이기 때문에 많은 성능 저하 없이 동적 및 정적 전원 소비 모두를 감소시킬 수 있다.7c and 8c show output characteristics of n- and p-type normally-on QWRTTs. The base current ( I B ) is | While increasing continuously as V C | increases, the device drive current | It saturates when V C | is greater than about 30 mV. In the saturation region, the device drive current | It remains approximately constant with respect to changes in V C | Therefore, scaling down of the supply voltage ( V CC ) can reduce both dynamic and static power consumption without significant performance degradation because the device drive current of the normally-on transistor in the saturation region is almost independent of V CC . .

일부 실시예에서, QWRTT는 E/B/C 영역에서 E 1 이 정렬되지 않도록(out of alignment) 함으로써 인핸스먼트 모드 트랜지스터로서 구성될 수 있다. E 1 은 초격자 크기와 포텐셜 배리어 높이에 의존하기 때문에, E 1 은 E/B/C 영역에서 양자 와이어의 개수 또는 쇼트키 배리어 높이를 변경하여 수정할 수 있다. 3개의 n-형 QWRTT들(Q1, Q2 및 Q3)의 예를 살펴보겠다. 그들은 N B = 3,

Figure pat00050
=
Figure pat00051
=
Figure pat00052
= 0.42eV 및 W EB = W CB = 26
Figure pat00053
의 동일한 디바이스 파라미터들을 갖는다. 그러나, 그들은 다른 N E N C 값, 예를 들어, Q1, Q2 및 Q3에 대해 (N E , N B , N C ) = (2, 3, 2), (3, 3, 3) 및 (5, 3, 5)를 각각 가진다. 도 9는 V E = 0V 및 V C = 1mV 인 3개의 QWRTT들의 전송 I-V 곡선(즉, I CEe V B )을 도시한다. (N E , N B , N C ) = (3, 3, 3)인 Q2의 경우, E 1 은 정렬 상태이고, Q2는 노멀리 온 트랜지스터이다. (N E , N B , N C ) = (5, 3, 5)인 Q3의 경우, E 1 은 정렬되지 않는다. V B 가 약 50mV일 때, I CEe 는 최대이다. 전원 전압V CC 가 50 mV라고 가정한다. V B = V ON = V CC = 50mV 일 때 Q3는 켜져있고, V B = 0V 일 때 Q3는 꺼져있다. 따라서, Q3는 양의 V ON 에서 인핸스먼트 모드 트랜지스터이다. (N E , N B , N C ) = (2, 3, 2)인 Q1의 경우, E 1 은 정렬되지 않는다. V B 가 약 -50mV일 때, I CEe 는 최대이다. V B = V ON = -V CC = -50mV일 때 Q1은 켜져있고, V B = 0V일 때 Q1은 꺼져있다. 따라서, Q1은 음의 VON에서 인핸스먼트 모드 트랜지스터이다. 도 9는 E/B/C영역에 있는 양자 와이어들(N E , N B , N C )의 수를 변경함으로써, QWRTT가 V ON = 0V인(Q2와 같은) 노멀리 온 트랜지스터, 양의 V ON 인(Q3와 같은) 인핸스먼트 모드 트랜지스터, 또는 음의 V ON 인(Q1과 같은) 인핸스먼트 모드 트랜지스터로 구성될 수 있음을 보여준다. E/B/C 영역에서 양자 와이어들(N E , N B , N C )의 개수는 도 4a의 SiO2 층(405)과 같은 주입 마스크층에 의해 제어된다. (N E , N B , N C )의 값들은 어떠한 추가 프로세스 단계가 요구되지 않는 레이아웃 설계로(layout design) 제어될 수 있다.In some embodiments, QWRTT can be configured as an enhancement mode transistor by having E 1 out of alignment in the E/B/C region. Since E 1 depends on the superlattice size and potential barrier height, E 1 can be modified by changing the number of quantum wires or the Schottky barrier height in the E/B/C region. Let's look at an example of three n-type QWRTTs (Q1, Q2 and Q3). They N B = 3,
Figure pat00050
=
Figure pat00051
=
Figure pat00052
= 0.42 eV and W EB = W CB = 26
Figure pat00053
has the same device parameters of However, they have ( NE , N B , N C ) = (2, 3, 2), (3 , 3, 3) and ( 5, 3, 5) respectively. 9 shows the transmission IV curves (ie, I CEe versus V B ) of three QWRTTs with V E = 0V and V C = 1 mV. For Q2 where ( N E , N B , N C ) = (3, 3, 3), E 1 is in alignment and Q2 is a normally-on transistor. For Q3 where ( N E , N B , N C ) = (5, 3, 5), E 1 is not sorted. When V B is about 50mV, I CEe is at its maximum. Assume that the supply voltage V CC is 50 mV. When V B = V ON = V CC = 50mV, Q3 is on, and when V B = 0V, Q3 is off. Thus, Q3 is an enhancement mode transistor at positive V ON . For Q1 where ( N E , N B , N C ) = (2, 3, 2), E 1 is not sorted. When V B is around -50mV, I CEe is at its maximum. Q1 is on when V B = V ON = -V CC = -50mV, and Q1 is off when V B = 0V. Thus, Q1 is an enhancement mode transistor at negative V ON . 9 shows that by changing the number of quantum wires ( NE , N B , N C ) in the E/B/C region, QWRTT is a normally-on transistor with V ON = 0V (like Q2), positive V It can be configured with an enhancement mode transistor that is ON (such as Q3), or an enhancement mode transistor that is negative V ON (such as Q1). The number of quantum wires NE , N B , and N C in the E/B/C region is controlled by an implantation mask layer such as the SiO 2 layer 405 in FIG. 4A. The values of ( N E , N B , N C ) can be controlled with a layout design that requires no additional process step.

3개의 n-형 QWRTT들(Q4, Q5 및 Q6)의 또 다른 예를 살펴보겠다. 그들은 N E = N B = N C = 3,

Figure pat00054
=
Figure pat00055
= 0.42eV 및 W EB = W CB = 26
Figure pat00056
의 동일한 디바이스 파라미터를 갖는다. 그러나, 그들은 다른
Figure pat00057
값, 예를 들어, Q4, Q5 및 Q6 각각에 대해 (
Figure pat00058
,
Figure pat00059
,
Figure pat00060
) = (0.42, 0.26, 0.42) eV, (0.42, 0.42, 0.42) eV 및 (0.42, 0.6, 0.42)를 각각 가진다. 도 10은 V E = 0 V 및 V C = 1 mV인 3개의 QWRTT들에 대한 전송 I-V 곡선(즉, I CEe V B )을 도시한다. (
Figure pat00061
,
Figure pat00062
,
Figure pat00063
) = (0.42, 0.42, 0.42)eV인 Q5의 경우, E 1 은 정렬 상태이고, Q5는 노멀리 온 트랜지스터이다. (
Figure pat00064
,
Figure pat00065
,
Figure pat00066
) = (0.42, 0.6, 0.42)eV인 Q6의 경우, E 1 은 정렬되지 않는다. I CEe V B 가 약 50mV일 때 최대이다. Q6는 V B = V ON = V CC = 50mV일 때 켜져있고, Q6는 V B = 0V일 때 꺼져있다. 따라서, Q6는 양의 VON인 인핸스먼트 모드 트랜지스터이다. (
Figure pat00067
,
Figure pat00068
,
Figure pat00069
) = (0.42, 0.26, 0.42)eV인 Q4의 경우, E 1 은 정렬되지 않는다. I CEe V B 가 약 -50mV일 때 최대이다. Q4는 V B = V ON = -V CC = -50mV일 때 켜져있고, Q4는 V B = 0V일 때 꺼져있다. 따라서, Q4는 음의 V ON 인 인핸스먼트 모드 트랜지스터이다. 도 10은 E/B/C 영역에서 쇼트키 배리어 높이(즉,
Figure pat00070
,
Figure pat00071
,
Figure pat00072
)를 변경함으로써, QWRTT가 (Q5와 같은) 노멀리 온 트랜지스터, 양의 V ON 인(Q6와 같은) 인핸스먼트 모드 트랜지스터, 또는 음의 V ON 인(Q4와 같은) 인핸스먼트 모드 트랜지스터로 구성될 수 있음을 보여준다. 그러나, (
Figure pat00073
,
Figure pat00074
,
Figure pat00075
)에 대한 변화를 제공하기 위해 추가 프로세스 단계가 제공된다.Let's look at another example of three n-type QWRTTs (Q4, Q5 and Q6). they are N E = N B = N C = 3,
Figure pat00054
=
Figure pat00055
= 0.42 eV and W EB = W CB = 26
Figure pat00056
has the same device parameters of However, they are different
Figure pat00057
For each of the values, e.g., Q4, Q5, and Q6 (
Figure pat00058
,
Figure pat00059
,
Figure pat00060
) = (0.42, 0.26, 0.42) eV, (0.42, 0.42, 0.42) eV and (0.42, 0.6, 0.42) respectively. 10 shows transmission IV curves (ie, I CEe versus V B ) for three QWRTTs with V E = 0 V and V C = 1 mV. (
Figure pat00061
,
Figure pat00062
,
Figure pat00063
) = (0.42, 0.42, 0.42) eV, E 1 is in alignment and Q5 is a normally-on transistor. (
Figure pat00064
,
Figure pat00065
,
Figure pat00066
) = (0.42, 0.6, 0.42) eV, E 1 is not aligned. I CEe is maximum when V B is about 50mV. Q6 is on when V B = V ON = V CC = 50mV, and Q6 is off when V B = 0V. Thus, Q6 is an enhancement mode transistor with positive V ON . (
Figure pat00067
,
Figure pat00068
,
Figure pat00069
) = (0.42, 0.26, 0.42) eV, E 1 is not aligned. I CEe is maximum when V B is around -50mV. Q4 is on when V B = V ON = -V CC = -50mV, and Q4 is off when V B = 0V. Thus, Q4 is an enhancement mode transistor with negative V ON . 10 shows the height of the Schottky barrier in the E / B / C region (ie,
Figure pat00070
,
Figure pat00071
,
Figure pat00072
), QWRTT can be configured with a normally on transistor (such as Q5), an enhancement mode transistor with positive V ON (such as Q6), or an enhancement mode transistor with negative V ON (such as Q4). show that you can however, (
Figure pat00073
,
Figure pat00074
,
Figure pat00075
), an additional process step is provided to provide a change to

유사하게, p-형 QWRTT도 E1이 E/B/C 영역에서 정렬되지 않는다면 인핸스먼트 모드 트랜지스터로서 구성될 수 있따. 도 11은 QWRTT의 회로 심볼(circuit symbol)을 도시한다. QWRTT는 두 개의 디바이스 타입들(n형 및 p형)을 갖는다. n-형 및 p-형 QWRTT들은 V ON = 0V 인 노멀리 온 트랜지스터, 양의 V ON 인 인핸스먼트 모드 트랜지스터 또는 음의 V ON 인 인핸스먼트 모드 트랜지스터로 구성될 수 있다. 따라서, QWRTT는 두 개의 트랜지스터 패밀리스(families)(노멀리 온 트랜지스터들 및 인핸스먼트 모드 트랜지스터들)를 포함한다.Similarly, a p-type QWRTT can also be configured as an enhancement mode transistor if E1 is not aligned in the E/B/C region. 11 shows the circuit symbol of QWRTT. QWRTT has two device types, n-type and p-type. The n-type and p-type QWRTTs can be configured with a normally on transistor with V ON = 0V, an enhancement mode transistor with positive V ON or an enhancement mode transistor with negative V ON . Thus, a QWRTT includes two transistor families (normally on transistors and enhancement mode transistors).

통틀어, QWRTT는 6개의 다른 디바이스 변형을 갖는다. 회로 심볼에서 "N" 또는 "P"의 문자는 그것의 디바이스 타입, 즉, n형 또는 p형을 나타낸다. 회로 심볼에서 더하기 또는 빼기 부호는 그것의 V ON 값의 부호를 나타낸다. 회로 심볼이 더하기 또는 빼기 부호를 갖지 않았다면, 그 디바이스는 노멀리 온 트랜지스터이다. 예를 들어, "P"는 디바이스가 p-형 노멀리 온 QWRTT임을 의미하고, "N+"는 양의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT임을 의미한다.In total, QWRTT has six different device variants. The letter "N" or "P" in a circuit symbol indicates its device type, i.e., n-type or p-type. A plus or minus sign in a circuit symbol indicates the sign of its V ON value. If the circuit symbol does not have a plus or minus sign, the device is a normally on transistor. For example, “P” means the device is p-type normally on QWRTT, and “N+” means it is n-type enhancement mode QWRTT with positive V ON .

다시 도 1을 참조하면, QWRTT는 이미터 단자(121)에 대해 "E", 베이스 단자(122)에 대해 "B" 및 컬렉터 단자(123)에 대해 "C"로 라벨된(labeled) 3개의 단자를 갖는다. 디바이스 구조가 대칭일 때(즉, N E = N C ,

Figure pat00076
=
Figure pat00077
, 그리고, W EB = W CB ), 이미터 단자(121)와 컬렉터 단자(123)는 상호 교환 가능하다. 캐리어는 디바이스가 온 될 때 이미터 영역(111)에서 컬렉터 영역(113)으로 이동하기 때문에, 이미터 단자(121) 및 컬렉터 단자(123)는 캐리어 흐름 방향에 의해 결정된다. 일반적으로 컬렉터 단자(123)는 n-형 QWRTT의 경우 이미터 단자(121)보다 높은 전위를 갖고, p-형 QWRTT의 경우 낮은 전위를 갖는다. 단자들은 쉽게 식별할 수 있다, 그래서 그것들의 라벨(label)은 단순화를 위해 본 발명의 회로도에서 생략된다.Referring back to FIG. 1 , the QWRTT consists of three terminals labeled “E” for emitter terminal 121, “B” for base terminal 122 and “C” for collector terminal 123. have terminals When the device structure is symmetric (i.e. N E = N C ,
Figure pat00076
=
Figure pat00077
, and W EB = W CB ), the emitter terminal 121 and the collector terminal 123 are interchangeable. Since carriers move from the emitter region 111 to the collector region 113 when the device is turned on, the emitter terminal 121 and the collector terminal 123 are determined by the carrier flow direction. In general, the collector terminal 123 has a higher potential than the emitter terminal 121 in the case of n-type QWRTT, and has a lower potential in the case of p-type QWRTT. The terminals are easily identifiable, so their labels are omitted from the circuit diagrams of the present invention for simplicity.

QWRTT는 도 11에 도시된 6개의 다른 디바이스 변형을 갖는 반면 디지털 회로에서 사용되는 MOSFET은 2개의 디바이스 변형(n- 및 p-채널 디바이스)만 갖고, 두 디바이스는 모두 인핸스먼트 모드다. 따라서 QWRTT 회로 설계는 CMOS 회로 설계보다 더 다양하고 효율적일 수 있다. 한 종류의 디바이스만을 사용하여 전체 논리 회로를 구성하는 것이 가능하다. 앞서 설명한 바와 같이, n-형 및 p-형 QWRTT는 모두 V ON = 0 V 인 노멀리 온 트랜지스터들, 양의 V ON 인 인핸스먼트 모드 트랜지스터들 또는 음의 V ON 인 인핸스먼트 모드 트랜지스터들로 구성될 수 있다. p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT는 동일한 V ON 을 갖는 두 디바이스가 동일한 논리 함수를 수행하기 때문에 동일한 V ON 을 갖는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT로 대체될 수 있다. 더욱이, n-형 및 p-형 노멀리 온 QWRTT는 모두 V B = 0 V 일 때 켜지고, V B 가 +V CC 또는 -V CC 일 때 꺼진다. 두 장치는 모두 임펄스 같은 전송 I-V 곡선을 가지며, 이것들은 대략 V B = 0 V에 대해 대칭적이다. p-형 노멀리 온 QWRTT는 두 디바이스가 동일한 논리 함수를 수행하기 때문에 n-형 노멀리 온 QWRTT 로 대체될 수 있다. 그러므로, QWRTT 디지털 회로는 한 종류의 디바이스만을 사용하여 구성될 수 있고, n-형 디바이스는 명백히 그 선택이다.The QWRTT has six different device variants shown in Figure 11 while the MOSFETs used in digital circuits have only two device variants (n- and p-channel devices), both of which are in enhancement mode. Therefore, QWRTT circuit designs can be more versatile and efficient than CMOS circuit designs. It is possible to construct an entire logic circuit using only one type of device. As described above, both n-type and p-type QWRTTs consist of normally-on transistors with V ON = 0 V, enhancement-mode transistors with positive V ON , or enhancement-mode transistors with negative V ON . It can be. The p-type enhancement mode QWRTT can be replaced by an n-type enhancement mode QWRTT with the same V ON because two devices with the same V ON perform the same logic function. Moreover, both n-type and p-type normally-on QWRTTs turn on when V B = 0 V and turn off when V B is +V CC or -V CC . Both devices have impulse-like transfer IV curves, which are approximately symmetric about V B = 0 V. The p-type normally-on QWRTT can be replaced by the n-type normally-on QWRTT since both devices perform the same logic function. Therefore, a QWRTT digital circuit can be constructed using only one type of device, and an n-type device is clearly the choice.

한 종류의 디바이스만 사용하여 디지털 회로를 구성하는 것은 n-형 및 p-형 디바이스 모두의 결합에 비해 다음과 같은 주요 이점이 있다. (1) 더 나은 회로 성능 - 실리콘과 대부분의 다른 반도체들에서, 전자는 정공보다 유효 질량이 작고 이동도가(mobility) 높다. n-형 QWRTT는 동일한 디바이스 차원을 갖는 p-형 QWRTT 보다 큰 구동 전류, 높은 온/오프 전류비, 큰 DC 전류 이득을 갖는다. 따라서, n-형 디바이스를 사용하여 구성된 회로는 n-형 및 p-형 디바이스 모두의 결합을 사용하여 구성된 회로보다 성능이 우수하다. (2) 더 나은 전류 정합-정공 이동도가 전자 이동도보다 작기 때문에, p-형 디바이스는 일반적으로 n-형 디바이스보다 약하다. p-형 디바이스는 n-형 디바이스로 동일한 구동 전류를 전달하기 위해 더 커질 필요가 있다. 한 종류의 디바이스만 사용 중이라면, n-형 및 p-형 디바이스 간의 전류 균형 문제는 없다. (3) 더 낮은 제조 비용 -회로 설계에 한 종류의 디바이스만 필요하면, 제작 프로세스 단계가 감소되고, 사이클 타임(cycle time)이 짧아지고, n-형 및 p-형 디바이스를 모두 구현하는데 필요한 제작 프로세스에 비해 제조 비용을 낮아질 수 있다.Constructing a digital circuit using only one type of device has the following key advantages over a combination of both n-type and p-type devices: (1) Better circuit performance—in silicon and most other semiconductors, electrons have a lower effective mass and higher mobility than holes. The n-type QWRTT has a larger drive current, a higher on/off current ratio, and a larger DC current gain than a p-type QWRTT with the same device dimensions. Thus, circuits constructed using n-type devices outperform circuits constructed using a combination of both n-type and p-type devices. (2) Better current matching—p-type devices are generally weaker than n-type devices because the hole mobility is smaller than the electron mobility. A p-type device needs to be larger to deliver the same drive current as an n-type device. If only one type of device is being used, there is no current balance problem between n-type and p-type devices. (3) Lower manufacturing cost - When only one type of device is required for circuit design, manufacturing process steps are reduced, cycle time is shortened, and fabrication required to implement both n-type and p-type devices. Compared to the process, the manufacturing cost can be lowered.

디지털 회로의 속도와 소비 전력은 전원 전압과 밀접한 관련이 있다. 일반적으로, 속도 및 소비전력은 모두 전원 전압이 증가할 때 증가하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 칩의 디지털 회로는 속도 및 소비전력의 우선순위가 다른 여러 영역으로 나눌 수 있다. 전원 전압은 다른 영역에서 다를 수 있다. 예를 들어, 주요 경로의 회로는 속도가 강조되므로 주요-경로(critical path) 영역에서 전원 전압은 더 높은 회로 속도를 달성하기 위해 더 높아질 수 있다. 중요하지 않은 경로에서 전원 전압은 소비 전력을 줄이기 위해 낮아질 수 있다. 결과적으로, 신호 레벨(signal level)은 다른 영역에서 다를 수 있다. 레벨 쉬프팅 회로(level shifting circuits)는 다른 영역 간의 신호를 전달할 때 신호 레벨을 균등화하는데 사용할 수 있다. 전원 전압의 변형은 일반적으로 노멀리 온 QWRTT의 논리 함수에 영향을 주지 않는다. 반면에, 전원 전압의 변형은 인핸스먼트 모드 QWRTT의 논리 함수에 영향을 줄 수 있다. 인핸스먼트 모드 QWRTT의 V ON 값은 일반적으로 V CC 또는 -V CC 이다. 전원 전압이 다른 영역에서 다른 값을 갖을 수 있기 때문에, 인핸스먼트 모드 QWRTT들은 다른 전원 전압에서 작동하도록 다른 V ON 값을 갖도록 구성될 수 있다.The speed and power consumption of digital circuits are closely related to the supply voltage. In general, both speed and power consumption increase when the supply voltage increases, and vice versa. The chip's digital circuitry can be divided into several areas with different priorities for speed and power consumption. The supply voltage may be different in different areas. For example, since speed is emphasized in critical path circuits, the supply voltage in the critical-path region can be higher to achieve higher circuit speeds. In non-critical paths, the supply voltage can be lowered to reduce power consumption. As a result, the signal level may be different in different areas. Level shifting circuits can be used to equalize signal levels when passing signals between different areas. Variations in the supply voltage generally do not affect the normally-on QWRTT's logic function. On the other hand, variations in the supply voltage may affect the logic function of the enhancement mode QWRTT. The value of V ON for enhancement mode QWRTT is typically V CC or -V CC . Since the supply voltage can have different values in different regions, the enhancement mode QWRTTs have different V ON to operate at different supply voltages. It can be configured to have a value.

디지털 회로는 일반적으로 조합 논리 회로(combinational logic circuit)와 순차 논리 회로(sequential logic circuit)로 나눌 수 있다. 조합 논리는 출력이 현재 입력의 함수일 뿐이라는 속성을 가지고 있다. 이것은 출력이 현재 입력과 이전 입력 모두의 함수인 순차 논리와 대조된다. 다시 말해서, 순차 논리에는 메모리가(memory) 있지만 조합 논리에는 메모리가 없다. 모든 조합 논리 기능은 로직 게이트의 네트워크로서 구현될 수 있다. {AND, NOT}, {OR, NOT}, {NAND} 및 {NOR}는 기능적으로 완전한 논리 연산자 집합이다. 위의 로직 게이트(AND, OR, NOT, NAND 및 NOR를 포함하는)와 래치(latch), 레지스터(register) 및 SRAM 셀(cell)을 포함하는 3개의 기억 소자(memory elements) QWRTT를 사용하여 디지털 회로가 효율적으로 구현될 수 있음을 설명하기 위해 다음 예에서 사용된다. QWRTT는 아래에 설명된 예에 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 대신, QWRTT는 많은 다른 논리 회로를 구성하는데 적합하다.Digital circuits can generally be divided into combinational logic circuits and sequential logic circuits. Combinational logic has the property that the output is only a function of the current input. This contrasts with sequential logic, where the output is a function of both the current and previous inputs. In other words, sequential logic has memory, but combinatorial logic does not. Any combinational logic function can be implemented as a network of logic gates. {AND, NOT}, {OR, NOT}, {NAND}, and {NOR} are functionally complete sets of logical operators. The above logic gates (including AND, OR, NOT, NAND and NOR) and the three memory elements including latches, registers and SRAM cells are digital using QWRTT. It is used in the following example to illustrate that the circuit can be implemented efficiently. It should be noted that QWRTT is not limited to the example described below. Instead, QWRTT is suitable for constructing many different logic circuits.

AND 및 OR 게이트와 같은 비반전 로직 게이트(non-inverting logic gates)는 QWRTT를 사용하여 효율적으로 구현될 수 있다. 반면에, CMOS 로직(logic)은 하나의 비반전 로직 게이트(inverting logic gates)를 만들기 위해 2개의 반전 로직 게이트를 결합할 필요가 있다. 예를 들어, AND 게이트는 NAND 게이트 및 NOT 게이트를 결합하여 얻어진다. 도 12a는 2-입력 AND 게이트(1201)의 회로도를 도시하고, 도 12b는 2-입력 OR 게이트(1202)의 회로도를 도시한다. 두 게이트는 n-형 및 p-형 노멀리 온 QWRTT를 사용하여 구성된다. 전원 전압(V CC )과 같은 고전압은 논리 1을 나타내고, 접지 전압(GND)과 같은 저전압은 논리 0을 나타낸다고 가정하자. 상보적인 정적 CMOS 로직 게이트(complementary static CMOS logic gate)와 유사하게, 각 게이트는 풀-다운 네트워크(pull-down network)(AND 게이트(1201)의 풀-다운 네트워크(1211) 및 OR 게이트(1202)의 풀-다운 네트워크(1212)와 같은) 및 풀-업 네트워크(pull-up network)(AND 게이트(1201)의 풀-업 네트워크(1213) 및 OR 게이트(1202)의 풀-업 네트워크(1214)와 같은)를 포함한다. 풀-다운 네트워크의 기능은 출력이 논리 0일 때 출력을 GND에 연결하는 것이고, 풀-업 네트워크의 기능은 출력이 논리 1일 때 출력과 V CC 사이에 연결을 제공하는 것이다. 풀-다운 네트워크(1211-1212)는 n-형 노멀리 온 QWRTT(1221)에서 사용하여 구성되고, 풀-업 네트워크(1213-1214)는 p-형 노멀리 온 QWRTT(1222)에서 사용하여 구성된다. n-형 QWRTT(1221)는 AND 게이트(1201)의 풀-다운 네트워크(1211)에서 병렬로 연결되고, OR 게이트(1202)의 풀-다운 네트워크(1212)에서 직렬로 연결된다. p-형 QWRTT(1222)는 AND 게이트(1201)의 풀-업 네트워크(1213)에서 직렬로 연결되고, OR 게이트(1202)의 풀-업 네트워크(1214)에서 병렬로 연결된다. 반면, 직렬로 연결된 n-채널 MOSFET은 AND 함수에 해당하고, 병렬로 연결된 것은 OR 함수를 나타낸다. 직렬로 연결된 p-채널 MOSFET은 NOR 함수에 해당하고, 병렬로 연결된 것은 NAND 함수를 나타낸다. 도 12a에 도시된 AND 게이트의 회로 구성은 CMOS NOR 게이트와 유사하고, 도 12b에 도시된 OR 게이트는 CMOS NAND 게이트와 유사하다.Non-inverting logic gates such as AND and OR gates can be efficiently implemented using QWRTT. On the other hand, CMOS logic needs to combine two inverting logic gates to form one inverting logic gate. For example, an AND gate is obtained by combining a NAND gate and a NOT gate. 12A shows a circuit diagram of a 2-input AND gate 1201, and FIG. 12B shows a circuit diagram of a 2-input OR gate 1202. Both gates are configured using n-type and p-type normally-on QWRTTs. Assume that a high voltage, such as the supply voltage ( V CC ), represents a logic one, and a low voltage, such as the ground voltage ( GND ), represents a logic zero. Similar to the complementary static CMOS logic gates, each gate is a pull-down network (pull-down network 1211 of AND gates 1201 and OR gates 1202). such as the pull-down network 1212 of ) and the pull-up network (pull-up network 1213 of the AND gate 1201 and pull-up network 1214 of the OR gate 1202). such as). The function of the pull-down network is to connect the output to GND when the output is a logic 0, and the function of the pull-up network is to provide a connection between the output and V CC when the output is a logic 1. Pull-down networks 1211-1212 are configured using n-type normally on QWRTT 1221, and pull-up networks 1213-1214 are configured using p-type normally on QWRTT 1222. do. The n-type QWRTTs 1221 are connected in parallel in the pull-down network 1211 of AND gates 1201 and in series in the pull-down network 1212 of OR gates 1202. The p-type QWRTT 1222 is connected in series in the pull-up network 1213 of the AND gate 1201 and in parallel in the pull-up network 1214 of the OR gate 1202. On the other hand, n-channel MOSFETs connected in series correspond to an AND function, and those connected in parallel represent an OR function. P-channel MOSFETs connected in series correspond to the NOR function, and those connected in parallel represent the NAND function. The circuit configuration of the AND gate shown in FIG. 12A is similar to a CMOS NOR gate, and the OR gate shown in FIG. 12B is similar to a CMOS NAND gate.

앞에서 설명한 것처럼, n-형 및 p-형 노멀리 온 QWRTT는 모두 V B = 0 V 일 때 켜져 있고, V B +V CC 또는 -V CC 일 때 꺼진다. 두 디바이스가 동일한 논리 함수를 수행하기 때문에 p-형 노멀리 온 QWRTT는 n-형 노멀리 온 QWRTT로 대체될 수 있다. AND 게이트(1201) 및 OR 게이트(1202)는 풀-업 네트워크(1213-1214)의 p-형 노멀리 온 QWRTT(1222)를 n-형 노멀리 온 QWRTT로 교체하여 n-형 QWRTT만을 사용하여 구현될 수 있다. 도 13a는 2-입력 AND 게이트(1301)의 회로도를 도시하고, 도 13b는 2-입력 OR 게이트(1302)의 회로도를 도시한다. 두 회로는 풀-다운 네트워크(AND 게이트(1301)의 풀-다운 네트워크(1311) 및 OR 게이트(1302)의 풀-다운 네트워크(1312)와 같은))와 마찬가지로 풀-업 네트워크(AND 게이트(1301)의 풀-업 네트워크(1313) 및 OR 게이트(1302)의 풀-업 네트워크(1314)와 같은)에서 n-형 노멀리 온 QWRTT(1321)만 사용하여 구현된다.As mentioned earlier, both the n-type and p-type normally-on QWRTTs are on when V B = 0 V, and off when V B is +V CC or -V CC . Since both devices perform the same logic function, the p-type normally-on QWRTT can be replaced with an n-type normally-on QWRTT. The AND gate 1201 and the OR gate 1202 replace the p-type normally-on QWRTT 1222 of the pull-up networks 1213-1214 with n-type normally-on QWRTT using only the n-type QWRTT. can be implemented 13A shows a circuit diagram of a 2-input AND gate 1301, and FIG. 13B shows a circuit diagram of a 2-input OR gate 1302. The two circuits are similar to the pull-down network (such as pull-down network 1311 of AND gate 1301 and pull-down network 1312 of OR gate 1302) and the pull-up network (AND gate 1301 is implemented using only the n-type normally on QWRTT 1321 in the pull-up network 1313 of ) and the pull-up network 1314 of the OR gate 1302.

NOT 게이트(즉, 인버터(inverter))는 QWRTT를 사용하여 구현될 수 있다. 도 14a는 풀-다운 네트워크(1411)에서 양의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1421) 및 풀-업 네트워크(1412)에서 음의 V ON 인 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1422)를 포함하는 인버터(1401)의 회로도를 도시한다.A NOT gate (i.e., an inverter) can be implemented using QWRTT. 14A shows n-type enhancement mode QWRTT 1421 with positive V ON in pull-down network 1411 and p-type enhancement mode QWRTT 1422 with negative V ON in pull-up network 1412. It shows a circuit diagram of the inverter 1401 including.

도 14a에 도시된 인버터(1401)는 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1422)를 동일한 V ON 을 갖는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT로 교체함으로써 n-형 QWRTT만을 사용하여 구현될 수 있다. 도 14b는 풀-다운 네트워크(1413)에서 양의 V ON 을 갖는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1421) 및 풀-업 네트워크(1414)에서 음의 V ON 인 n-형 향상 모드 QWRTT(1423)를 포함하는 인버터(1402)의 회로도를 도시한다.The inverter 1401 shown in FIG. 14A can be implemented using only n-type QWRTT by replacing the p-type enhancement mode QWRTT 1422 with an n-type enhancement mode QWRTT with the same V ON . 14B shows n-type enhancement mode QWRTT 1421 with positive V ON in pull-down network 1413 and n-type enhancement mode QWRTT 1423 with negative V ON in pull-up network 1414. It shows a circuit diagram of the inverter 1402 including.

디지털 버퍼(digital buffer)는 하나의 입력과 하나의 출력이 있는 로직 게이트다. 그것의 출력은 항상 입력과 같다. 버퍼의 주요 목적은 큰 용량성 부하를 구동하거나 신호의 전파 지연(propagation delay)을 증가시키는 것이다. 버퍼는 2개의 QWRTT만으로 효율적으로 구현될 수 있지만, CMOS에서 2개의 캐스케이디드(cascaded) 인버터를 구현하려면 4개의 트랜지스터가 필요하다. 도 15a는 풀-다운 네트워크(1511)의 n-형 노멀리 온 QWRTT(1521) 및 풀-업 네트워크(1512)의 p-형 노멀리 온 QWRTT(1522)를 포함하는 버퍼(1501)의 회로도를 도시한다.A digital buffer is a logic gate with one input and one output. Its output is always equal to its input. The main purpose of a buffer is to drive a large capacitive load or increase the propagation delay of a signal. The buffer can be implemented efficiently with only two QWRTTs, but four transistors are required to implement two cascaded inverters in CMOS. 15A shows a circuit diagram of a buffer 1501 comprising an n-type normally on QWRTT 1521 in a pull-down network 1511 and a p-type normally on QWRTT 1522 in a pull-up network 1512. show

도 15a에 도시된 버퍼(1501)는 p-형 노멀리 온 QWRTT(1522)를 n-형 노멀리 온 QWRTT로 교체함으로써 n-형 QWRTT만을 사용하여 구현될 수 있다. 도 15b는 풀-다운 네트워크(1513) 및 풀-업 네트워크(1514)를 포함하는 버퍼(1502)의 회로도를 도시한다. 각 네트워크는 n-형 노멀리 온 QWRTT(1521)를 포함한다.The buffer 1501 shown in FIG. 15A can be implemented using only an n-type QWRTT by replacing the p-type normally-on QWRTT 1522 with an n-type normally-on QWRTT. 15B shows a circuit diagram of a buffer 1502 comprising a pull-down network 1513 and a pull-up network 1514. Each network includes an n-type normally on QWRTT 1521.

CMOS 디지털 회로에서 일반적으로 사용되는 NAND 및 NOR 게이트와 같은 범용 로직 게이트는 QWRTT를 사용하여 구현할 수 있다. 도 16a는 2-입력 NAND 게이트(1601)의 회로도를 도시하고, 도 16b는 2-입력 NOR 게이트(1602)의 회로도를 도시한다. 두 게이트 모두 n-형 및 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT를 사용하여 구성된다. 상보적인 정적 CMOS 게이트와 유사하게, 각 게이트는 풀-다운 네트워크(NAND 게이트(1601)의 풀-다운 네트워크(1611) 및 NOR 게이트(1602)의 풀-다운 네트워크 (1612)와 같은)와 풀-업 네트워크(NAND 게이트(1601)의 풀-업 네트워크(1613) 및 NOR 게이트(1602)의 풀-업 네트워크(1614)와 같은)로 구성된다. 풀-다운 네트워크(1611-1612)는 양의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1621)를 사용하여 구성되고, 풀-업 네트워크(1613-1614)는 음의 V ON 인 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1622)를 사용하여 구성된다.General-purpose logic gates such as NAND and NOR gates commonly used in CMOS digital circuits can be implemented using QWRTT. 16A shows a circuit diagram of a 2-input NAND gate 1601, and FIG. 16B shows a circuit diagram of a 2-input NOR gate 1602. Both gates are configured using n-type and p-type enhancement mode QWRTT. Similar to complementary static CMOS gates, each gate has a pull-down network (such as pull-down network 1611 of NAND gates 1601 and pull-down network 1612 of NOR gates 1602) and a pull-down network of up networks (such as the pull-up network 1613 of NAND gates 1601 and the pull-up network 1614 of NOR gates 1602). Pull-down networks 1611-1612 are configured using n-type enhancement mode QWRTT 1621 with positive V ON , and pull-up networks 1613-1614 are configured using p-type enhancement mode with negative V ON . ment mode is configured using QWRTT 1622.

NAND 게이트(1601) 및 NOR 게이트(1602)는 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1622)를 동일한 V ON 을 갖는 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT로 교체함으로써 n-형 QWRTT만을 사용하여 구현될 수 있다. 도 17a는 2-입력 NAND 게이트(1701)의 회로도를 도시하고, 도 17b는 2-입력 NOR 게이트(1702)의 회로도를 도시한다. NAND 게이트(1701)의 풀-다운 네트워크(1711)와 NOR 게이트(1702)의 풀-다운 네트워크(1712)는 양의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1721)를 사용하여 구성된다. NAND 게이트(1701)의 풀-업 네트워크(1713) 및 NOR 게이트(1702)의 풀-업 네트워크(1714)는 음의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1722)를 사용하여 구성된다.NAND gate 1601 and NOR gate 1602 can be implemented using only n-type QWRTT by replacing the p-type enhancement mode QWRTT 1622 with an n-type enhancement mode QWRTT with the same V ON . 17A shows a circuit diagram of a 2-input NAND gate 1701, and FIG. 17B shows a circuit diagram of a 2-input NOR gate 1702. The pull-down network 1711 of NAND gates 1701 and the pull-down network 1712 of NOR gates 1702 are configured using n-type enhancement mode QWRTT 1721 with positive V ON . The pull-up network 1713 of the NAND gate 1701 and the pull-up network 1714 of the NOR gate 1702 are configured using n-type enhancement mode QWRTT 1722 with negative V ON .

위에서 설명한 모든 QWRTT 로직 게이트는 이중 풀-다운 및 풀-업 네트워크를 결합한 상보적 QWRTT 로직 게이트(complementary QWRTT logic gates)라고 부른다. 듀얼 네트워크(dual networks)의 경우, 풀-다운 네트워크에서 트랜지스터의 병렬 연결은 풀-업 네트워크에서 해당 장치의 직렬 연결에 해당하며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 풀-다운 네트워크는 출력을 GND까지 끌어내림으로써 "강한 0"(strong zero)을 생성할 수 있고, 풀-업 네트워크는 출력을 전원 전압(V CC )까지 충전함으로써 "강한 1"(strong one)을 생성할 수 있다. 풀-다운 네트워크가 노멀리 온 QWRTT를 사용하여 구성될 때, 풀-업 네트워크도 노멀리 온 QWRTT를 사용하여 구성된다. 풀-다운 및 풀-업 네트워크에 사용되는 노멀리 온 QWRTT는 n-형, p-형 또는 두 유형의 조합일 수 있다. 풀-다운 네트워크가 양의 V ON 인 인핸스먼트 모드 QWRTT를 사용하여 구성될 때, 풀-업 네트워크는 음의 V ON 인 인핸스먼트 모드 QWRTT를 사용하여 구성된다. 풀-다운 및 풀-업 네트워크에 사용되는 인핸스먼트 모드 QWRTT는 n-형, p-형 또는 두 유형의 조합일 수 있다. 풀-다운 및 풀-업 네트워크는 네트워크 중 한가지나 한가지만 정상 상태에서 전도하고 있기 때문에 상호 배타적(mutually exclusive)이다. 파워 서플라이(power supply)와 GND 사이에 정적 전류가 없으므로 정적 전력 손실은 0이다. 경로는 항상 출력이 "1"일 때 출력 노드(output node)와 파워 서플라이 사이에 존재하고, 출력이 "0"일 때 출력 노드와 GND 사이에 존재한다. 출력 노드는 항상 정상 상태의 낮은 임피던스 노드이다. 이러한 회로는 출력 노드가 완전한 레일-투-레일 스윙(rail-to-rail swing)을 나타내기 때문에 우수한 노이즈 내성(noise immunity)을 갖는다.All of the QWRTT logic gates described above are called complementary QWRTT logic gates, combining dual pull-down and pull-up networks. For dual networks, a parallel connection of transistors in a pull-down network corresponds to a series connection of corresponding devices in a pull-up network, and vice versa. A pull-down network can create a "strong zero" by pulling the output down to GND , and a pull-up network can create a "strong one" by charging the output to the supply voltage ( V CC ). can create When the pull-down network is configured using normally-on QWRTT, the pull-up network is also configured using normally-on QWRTT. Normally-on QWRTTs used in pull-down and pull-up networks can be n-type, p-type, or a combination of both types. When the pull-down network is configured using enhancement mode QWRTT with positive V ON , the pull-up network is configured using enhancement mode QWRTT with negative V ON . The enhancement mode QWRTT used in pull-down and pull-up networks can be n-type, p-type or a combination of both types. The pull-down and pull-up networks are mutually exclusive since one or one of the networks is conducting in the steady state. Since there is no static current between the power supply and GND, the static power loss is zero. A path always exists between the output node and the power supply when the output is "1", and between the output node and GND when the output is "0". The output node is always a steady-state, low-impedance node. This circuit has good noise immunity because the output node exhibits full rail-to-rail swing.

패스 트랜지스터 로직(pass transistor logic)은 CMOS 디지털 회로 설계에서 상보형 로직에 대한 대중적이고 널리 사용되는 대안이다. 패스 트랜지스터 로직은 주요 입력이 소스/드레인 단자(source/drain terminals)뿐만 아니라 게이트 단자(gate terminal)를 구동하도록 하여 트랜지스터 수를 줄이려고 한다. 이는 주요 입력이 게이트 단자만을 구동하도록 허용하는 상호형 로직와 대조적이다. 멀티플렉서(multiplexer) 및 가산기(adder)와 같은 일부 특정 회로는 더 적은 수의 트랜지스터로 패스 트랜지스터 로직을 사용하여 효율적으로 구현할 수 있다.Pass transistor logic is a popular and widely used alternative to complementary logic in CMOS digital circuit design. Pass transistor logic attempts to reduce transistor count by having the main input drive the gate terminal as well as the source/drain terminals. This is in contrast to interactive logic, which allows the primary input to drive only the gate terminal. Some specific circuits, such as multiplexers and adders, can be implemented efficiently using pass transistor logic with fewer transistors.

패스 트랜지스터 로직은 다음 XOR 및 XNOR 게이트의 예에 도시된 바와 같이 QWRTT를 사용하여 효율적으로 구현할 수 있다. 도 18a는 양의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1811)를 사용하여 구성된 2-입력 XOR 게이트(1801)의 회로도를 도시한다. 도 18b는 음의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1812)를 사용하여 구성된 2-입력 XNOR 게이트(1802)의 회로도를 도시한다. 패스 트랜지스터 로직은 풀-다운 및 풀-업 네트워크를 필요로 하는 상보형 로직보다 적은 수의 트랜지스터를 사용하는 것을 알 수 있다. 패스 트랜지스터 논리 회로는 양의 V ON 과 음의 V ON 이 결합된 인핸스먼트 모드 QWRTT를 사용하여 구현하는 것이 가능하다.The pass transistor logic can be efficiently implemented using QWRTT as shown in the following examples of XOR and XNOR gates. 18A shows a circuit diagram of a two-input XOR gate 1801 constructed using an n-type enhancement mode QWRTT 1811 with positive V ON . 18B shows a circuit diagram of a two-input XNOR gate 1802 configured using an n-type enhancement mode QWRTT 1812 with negative V ON . It can be seen that the pass transistor logic uses fewer transistors than the complementary logic which requires a pull-down and pull-up network. A pass transistor logic circuit can be implemented using an enhancement mode QWRTT with a combination of positive V ON and negative V ON .

패스 트랜지스터 로직의 주요 단점은 패스 트랜지스터의 전압 강하이다. 가장 널리 사용되는 해결책은 전송 게이트(transmission gate)를 사용하는 것이다. CMOS의 전송 게이트는 p-채널 디바이스와 병렬로 연결된 n-채널 디바이스를 포함한다. 전송 게이트는 n-채널 장치가 아래로 당겨지고 p-채널 장치가 위로 당겨짐으로써 레일-투-레일 스윙을 가능하게 한다.The main drawback of pass transistor logic is the voltage drop across the pass transistor. The most popular solution is to use a transmission gate. The transfer gate of CMOS includes an n-channel device connected in parallel with a p-channel device. The transmission gate enables rail-to-rail swing with n-channel devices pulled down and p-channel devices pulled up.

전송 게이트는 QWRTT를 사용하여 구현할 수 있다. 도 19a는 양의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1911) 및 음의 V ON 인 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1912)를 사용하여 구성된 전송 게이트(1901)의 회로도를 도시한다. 전송 게이트는 제어 신호(C)와 그의 상보형(

Figure pat00078
)에 의해 제어되는 양방향 스위치(bilateral switch) 역할을 한다. 제어 신호(C)가 높으면 두 디바이스(1911-1912)는 모두 켜져, 입력 신호가 게이트를 통과할 수 있다. 제어 신호(C)가 낮으면 두 디바이스(1911-1912)가 모두 꺼져, 노드 A와 B 사이에 개방 회로(open circuit)가 생성된다.Transmission gates can be implemented using QWRTT. 19A shows a circuit diagram of a transfer gate 1901 constructed using n-type enhancement mode QWRTT 1911 with positive V ON and p-type enhancement mode QWRTT 1912 with negative V ON . The transmission gate is a control signal ( C ) and its complement (
Figure pat00078
) to act as a bilateral switch controlled by When control signal C is high, both devices 1911-1912 are on, allowing the input signal to pass through the gate. When control signal C is low, both devices 1911-1912 are turned off, creating an open circuit between nodes A and B.

도 19a에 도시된 전송 게이트(1901)는 p-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1912)를 동일한 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT로 교체함으로써 n-형 QWRTT만을 사용하여 구현될 수 있다. 도 19b는 양의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT(1911) 및 음의 V ON 인 n-형 향상 모드 QWRTT(1913)를 사용하여 구성된 전송 게이트(1902)의 회로도를 도시한다.The transfer gate 1901 shown in FIG. 19A can be implemented using only n-type QWRTT by replacing the p-type enhancement mode QWRTT 1912 with an n-type enhancement mode QWRTT with the same V ON . 19B shows a circuit diagram of a transmission gate 1902 constructed using n -type enhancement mode QWRTT 1911 with positive V ON and n-type enhancement mode QWRTT 1913 with negative V ON.

메모리는 일반적으로 쌍안정 회로(bistable circuit)의 포지티브 피드백 (positive feedback)을 사용하여 구축된다. 도 20a는 2개의 교차-결합된 인버터(cross-coupled inverters)(2011-2012)를 포함하는 쌍안정 회로(2001)의 회로 개략도(circuit schematic)를 도시한다. 두 번째 인버터(2012)의 출력은 첫 번째 인버터(2011)의 입력에 연결된다. 교차-결합된 인버터 쌍은 0과 1을 나타내는 2개의 안정적인 상태를 갖는 쌍안정 회로를 생성한다. 트리거가(trigger) 없으면, 회로는 단일 상태를 유지하고, 따라서 값을 기억한다. 회로의 상태를 변경하기 위해, 피드백 루프(feedback loop)를 압도하는 트리거 펄스(trigger pulse)가 입력 D에 인가된다.Memories are generally built using the positive feedback of bistable circuits. 20A shows a circuit schematic of a bistable circuit 2001 comprising two cross-coupled inverters 2011-2012. The output of the second inverter 2012 is connected to the input of the first inverter 2011. A pair of cross-coupled inverters creates a bistable circuit with two stable states representing 0 and 1. In the absence of a trigger, the circuit maintains a single state and thus remembers a value. To change the state of the circuit, a trigger pulse is applied to input D that overwhelms the feedback loop.

도 20a에 도시된 쌍안정 회로(2001)는 두 가지 다른 접근 방식에 대해 도 20b 및 도 20c에 도시된 바와 같이 QWRTT를 사용하여 구현될 수 있다. 도 20b는 도 14a에 도시된 바와 같이 인버터(2021-2022)가 QWRTT 인버터(1401)와 동일한 설계를 갖는 쌍안정 회로(2002)의 회로도이다. 도 20c 도 14b에 도시된 바와 같이 인버터(2031-2032)가 QWRTT 인버터(1402)와 동일한 설계를 갖는 쌍안정 회로(2003)의 회로도이다. 14b. 도 20b에 도시된 쌍안정 회로(2002)는 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성되는 반면, 도 20c에 도시된 쌍안정 회로(2003)는 n-형 QWRTT만을 사용하여 구성된다.The bistable circuit 2001 shown in FIG. 20A can be implemented using QWRTT as shown in FIGS. 20B and 20C for two different approaches. FIG. 20B is a circuit diagram of a bistable circuit 2002 in which inverters 2021-2022 have the same design as QWRTT inverter 1401 as shown in FIG. 14A. 20C is a circuit diagram of a bistable circuit 2003 in which inverters 2031-2032 have the same design as the QWRTT inverter 1402 as shown in FIG. 14B. 14 b. The bistable circuit 2002 shown in FIG. 20B is constructed using both n-type and p-type QWRTTs, whereas the bistable circuit 2003 shown in FIG. 20C is constructed using only n-type QWRTTs.

하나의 버퍼와 두 개의 캐스케이드로 연결된 인버터는 동일한 로직 기능을 갖는다. 따라서 버퍼는 두 개의 캐스케이디드 인버터를 교체하는 데 사용될 수 있다. 도 21a는 버퍼(2111)를 포함하는 쌍안정 회로(2101)의 회로도를 보여준다. 버퍼(2111)의 출력은 포지티브 피드백을 생성하고 상태를 저장하기 위해 동일한 버퍼(2111)의 입력에 연결된다. 쌍안정 회로(2101)는 두 가지 다른 접근 방식에 대해 도 21b 및 도 21c에 도시된 바와 같이 QWRTT를 사용하여 구현될 수 있다. 도 21b는 버퍼(2121)가 도 15a에 도시된 QWRTT 버퍼(1501)와 동일한 설계를 갖는 쌍안정 회로(2102)의 회로도를 도시한다. 도 21c는 버퍼(2131)가 도 15b에 도시된 QWRTT 버퍼(1502)와 동일한 설계를 갖는 쌍안정 회로(2103)의 회로도를 도시한다. 도 21b에 도시된 쌍안정 회로(2102)는 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성되는 반면, 도 21c는 n-형 QWRTT만을 사용하여 구성된다.A buffer and two cascaded inverters have the same logic function. Thus, the buffer can be used to replace two cascaded inverters. 21A shows a circuit diagram of a bistable circuit 2101 including a buffer 2111. The output of the buffer 2111 is connected to the input of the same buffer 2111 to generate positive feedback and save the state. The bistable circuit 2101 can be implemented using QWRTT as shown in FIGS. 21B and 21C for two different approaches. FIG. 21B shows a circuit diagram of a bistable circuit 2102 in which the buffer 2121 has the same design as the QWRTT buffer 1501 shown in FIG. 15A. 21C shows a circuit diagram of a bistable circuit 2103 in which the buffer 2131 has the same design as the QWRTT buffer 1502 shown in FIG. 15B. The bistable circuit 2102 shown in FIG. 21B is constructed using both n-type and p-type QWRTTs, whereas FIG. 21C is constructed using only n-type QWRTTs.

데이터를 저장하기 위해 쌍안정 회로를 사용하는 3개의 기억 소자(래치, 레지스터 및 SRAM 셀을 포함하는)는 QWRTT를 사용하여 메모리 회로가 효율적으로 구현될 수 있음을 설명하기 위해 아래에 설명된다. 쌍안정 회로는 일반적으로 두 개의 교차 결합 인버터를 포함한다. 캐스케이드로 연결된 두 인버터의 논리 함수는 버퍼의 논리 함수와 동일하다. 버퍼는 2개의 캐스케이디드 인버터를 대체할 수 있으며, 이는 트랜지스터 수(즉, 4개에서 2개로), 면적, 전파 지연 및 소비 전력을 대폭적으로 감소하는 결과가 된다. 버퍼가 실제로 캐스케이드로 연결된 2개의 인버터로 구현되기 때문에 위의 이점을 CMOS에서는 사용할 수 없다. 이러한 단일-비트 기억 소자는 래치 어레이(latch arrays), 시프트 레지스터(shift registers) 및 SRAM과 같은 더 큰 메모리 회로의 기본 빌딩 블록이다. 메모리 회로는 오늘날의 마이크로 프로세서에서 칩 영역의 많은 부분을 차지하고 있으며, 그 추세는 지속적으로 증가하고 있다. 따라서, QWRTT를 사용하여 메모리 회로를 구현하는 것은 CMOS 디바이스를 사용하는 것보다 상당한 이점이 있다.Three storage elements (including latches, registers and SRAM cells) that use bistable circuits to store data are described below to illustrate that memory circuits can be efficiently implemented using QWRTT. A bistable circuit usually includes two cross-coupled inverters. The logic function of two inverters connected in cascade is the same as that of the buffer. The buffer can replace two cascaded inverters, resulting in significant reductions in transistor count (ie, from four to two), area, propagation delay, and power consumption. The above advantage is not available in CMOS because the buffer is actually implemented as two inverters connected in cascade. These single-bit storage elements are the basic building blocks of larger memory circuits such as latch arrays, shift registers and SRAMs. Memory circuitry occupies a large portion of the chip area in today's microprocessors, and the trend continues to increase. Therefore, implementing a memory circuit using QWRTT has significant advantages over using a CMOS device.

래치는 레벨-센서티브한 기억 소자이다. 클럭 신호가(clock signal) 높을 때, 래치는 입력을 출력으로 전달하고, 래치는 투과형 모드(transparent mode)에 있다. 클럭이 낮을 때, 클럭의 하강 엣지(falling edge)에서 샘플링된 입력 데이터는 출력에서 안정적으로 유지되고, 래치는 유지 모드(hold mode)에 있다. 위의 조건 하에서 작동하는 래치는 포지티브 래치(positive latch)이다. 마찬가지로, 네거티브 래치(negative latch)는 클럭이 낮을 때 입력을 출력으로 전달한다. 래치를 구성하기 위해 많은 다양한 접근법이 있다. 도 22a는 2개의 인버터(2211-2212) 및 2개의 전송 게이트(2213-2214)를 포함하는 래치(2201)의 회로도를 도시한다. 클럭(CLK)이 하이일 때, 전송 게이트(2213)는 켜져 있다. 입력 D는 두 개의 캐스케이디드 인버터(2211-2212)를 통해 출력 Q로 전달되고, 래치는 투과형 모드에 있다. 이 단계에서, 전송 게이트(2214)는 꺼지고, 피드백 루프는 열려 있다. 입력 신호는 메모리를 쓰기 위해 피드백 루프를 극복할 필요가 없고, 따라서 트랜지스터 크기 조정은 올바른 기능을 실현하는 데 중요하지 않다. 클럭(CLK)이 로우일 때, 전송 게이트(2213)는 꺼지고, 전송 게이트(2214)는 켜진다. 피드백 루프가 활성화되고, 래치가 유지 모드에 있다.A latch is a level-sensitive storage element. When the clock signal is high, the latch passes the input to the output, and the latch is in transparent mode. When the clock is low, the input data sampled on the falling edge of the clock is held stable at the output, and the latch is in hold mode. A latch that operates under the above conditions is a positive latch. Similarly, a negative latch passes the input to the output when the clock is low. There are many different approaches to constructing a latch. 22A shows a circuit diagram of a latch 2201 comprising two inverters 2211-2212 and two transfer gates 2213-2214. When clock CLK is high, transfer gate 2213 is on. Input D is passed through two cascaded inverters 2211-2212 to output Q , the latch is in transmissive mode. At this stage, transmission gate 2214 is off and the feedback loop is open. The input signal does not need to overcome the feedback loop to write the memory, so transistor sizing is not critical to achieve correct functionality. When clock CLK is low, transfer gate 2213 is off and transfer gate 2214 is on. The feedback loop is active, and the latch is in hold mode.

도 22a에 도시된 래치(2201)는 두 가지 다른 접근법에 대해 도 22b 및 도 22c에 도시된 바와 같이 QWRTT를 사용하여 구현될 수 있다. 도 22b는 2개의 인버터(2221-2222) 및 2개의 전송 게이트(2223-2224)를 포함하는 래치(2202)의 회로도를 도시한다. 2개의 인버터(2221-2222)는 도 14a에 도시된 바와 같이 QWRTT 인버터(1401)와 동일한 설계를 갖는다. 2개의 전송 게이트(2223-2224)는 도 19a에 도시된 바와 같이 QWRTT 전송 게이트(1901)와 동일한 설계를 갖는다. 도 22c는 2개의 인버터(2231-2232) 및 2개의 전송 게이트(2233-2234)를 포함하는 래치(2203)의 회로도를 도시한다. 2개의 인버터(2231-2232)는 도 14b에 도시된 바와 같이 QWRTT 인버터(1402)와 동일한 설계를 갖는다. 2개의 전송 게이트(2233-2234)는 도 19b에 도시된 바와 같이 QWRTT 전송 게이트(1902)와 동일한 설계를 갖는다. 도 22b에 도시된 래치(2202)는 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성되는 반면, 도 22c에 도시된 래치(2203)는 n-형 QWRTT만을 사용하여 구성된다.The latch 2201 shown in FIG. 22A can be implemented using QWRTT as shown in FIGS. 22B and 22C for two different approaches. 22B shows a circuit diagram of a latch 2202 comprising two inverters 2221-2222 and two transfer gates 2223-2224. The two inverters 2221-2222 have the same design as the QWRTT inverter 1401 as shown in FIG. 14A. The two transfer gates 2223-2224 have the same design as the QWRTT transfer gate 1901 as shown in FIG. 19A. 22C shows a circuit diagram of a latch 2203 comprising two inverters 2231-2232 and two transfer gates 2233-2234. The two inverters 2231-2232 have the same design as the QWRTT inverter 1402 as shown in FIG. 14B. The two transfer gates 2233-2234 have the same design as the QWRTT transfer gate 1902 as shown in FIG. 19B. The latch 2202 shown in FIG. 22B is constructed using both n-type and p-type QWRTTs, whereas the latch 2203 shown in FIG. 22C is constructed using only n-type QWRTTs.

앞서 설명한 것처럼, 2개의 캐스케이디드 인버가 버퍼로 교체될 수 있다. 도 23a는 버퍼(2311) 및 2개의 전송 게이트(2312-2313)를 포함하는 래치(2301)의 회로도를 도시한다. 도 23a에 도시된 래치(2301)는 두 가지 다른 접근법에 대해 도 23b 및 도 23c에 도시된 바와 같이 QWRTT를 사용하여 구현될 수 있다. 도 23b는 버퍼(2321) 및 2개의 전송 게이트(2322-2323)를 포함하는 래치(2302)의 회로도를 도시한다. 버퍼(2321)는 도 15a에 도시된 바와 같이 QWRTT 버퍼(1501)와 동일한 설계를 갖는다. 2개의 전송 게이트(2322-2323)는 도 19a에 도시된 바와 같이 QWRTT 전송 게이트(1901)와 동일한 설계를 갖는다. 도 23c는 버퍼(2331) 및 2개의 전송 게이트(2332-2333)를 포함하는 래치(2303)의 회로도를 도시한다. 버퍼(2331)는 도 15b에 도시된 바와 같이 QWRTT 버퍼(1502)와 동일한 설계를 갖는다. 2개의 전송 게이트(2332-2333)는 도 19b에 도시된 바와 같이 QWRTT 전송 게이트(1902)와 동일한 설계를 갖는다. 도 23b에 도시된 래치(2302)는 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성되는 반면, 도 23b에 도시된 래치(2303)는 n-형 QWRTT만을 사용하여 구성된다.As previously discussed, the two cascaded inverters can be replaced with buffers. 23A shows a circuit diagram of a latch 2301 comprising a buffer 2311 and two transfer gates 2312-2313. The latch 2301 shown in FIG. 23A can be implemented using QWRTT as shown in FIGS. 23B and 23C for two different approaches. 23B shows a circuit diagram of a latch 2302 comprising a buffer 2321 and two transfer gates 2322-2323. The buffer 2321 has the same design as the QWRTT buffer 1501 as shown in FIG. 15A. The two transfer gates 2322-2323 have the same design as the QWRTT transfer gate 1901 as shown in FIG. 19A. 23C shows a circuit diagram of a latch 2303 comprising a buffer 2331 and two transfer gates 2332-2333. Buffer 2331 has the same design as QWRTT buffer 1502, as shown in FIG. 15B. The two transfer gates 2332-2333 have the same design as the QWRTT transfer gate 1902 as shown in FIG. 19B. The latch 2302 shown in FIG. 23B is constructed using both n-type and p-type QWRTTs, whereas the latch 2303 shown in FIG. 23B is constructed using only n-type QWRTTs.

레지스터(플립플롭(flip-flop)이라고도 불리는)는 클럭 전환 시 예를 들어, 포지티브 엣지-트리거드 레지스터(positive edge-triggered register)의 경우 상승 트리거 엣지(rising trigger edge) 및 네거티브 엣지-트리거드 레지스터의 경우 하강 트리거 엣지(falling trigger edge)에서 입력만 샘플링하는 엣지 트리거드 기억 소자이다. 그런 다음 출력은 다음 클럭 전환까지 안정적으로 유지된다. 레지스터를 구성하는 가장 일반적인 접근법은 마스터-슬레이브 구성(master-slave configuration)을 사용하는 것이다. 포지티브 엣지 트리거드 레지스터는 포지티브 래치(슬레이브 스테이지(slave stage))와 캐스케이딩된 네거티브 래치(마스터 스테이지(master stage))를 포함한다. 네거티브 엣지 트리거드 레지스터는 포지티브 및 네거티브 래치의 순서를 간단히 전환하여 동일한 원리를 사용하여 구성될 수 있다. 래치가 QWRTT를 사용하여 구현될 수 있기 때문에, 레지스터 또한 그렇다.Registers (sometimes called flip-flops) have a rising trigger edge and negative edge-triggered registers on clock transitions, for example in the case of positive edge-triggered registers. In the case of , it is an edge-triggered memory element that samples only the input at the falling trigger edge. The output then remains stable until the next clock transition. The most common approach to configuring registers is to use a master-slave configuration. Positive edge triggered registers include a positive latch (slave stage) and a cascaded negative latch (master stage). A negative edge triggered register can be constructed using the same principle by simply switching the order of the positive and negative latches. Since latches can be implemented using QWRTT, so can registers.

SRAM(스테틱 랜덤-액세스 메모리(Static Random-Access Memory) 어레이 내의 근본 빌딩 블록은 데이터의 단일 비트 데이터를 저장하는 SRAM 셀이다. 가장 일반적으로 사용되는 SRAM 비트 셀 아키텍처(bit cell architecture)는 6-트랜지스터(6T) SRAM 셀이다. 도 24a는 2개의 교차-결합된 인버터(2411-2412) 및 2개의 액세스 트랜지스터(access transistors)(2413-2414)를 포함하는 6T SRAM 셀(2401)을 도시한다. SRAM 셀은 쌍안정 회로를 포함하므로, 저장된 정보를 유지하기 위해 DRAM(다이나믹 랜덤-액세스 메모리(Dynamic Random-Access Memory))과 같은 주기적인 리프레시(periodic refresh)가 요구되지 않는다. 전원이 공급되는 한 그 상태를 유지할 수 있다. 2개의 액세스 트랜지스터(2413-2414)는 비트 라인(bit lines)(BL

Figure pat00079
)과 셀 사이의 전류의 양방향 흐름을 허용한다. 액세스 트랜지스터(2413-2414)는 읽기 및 쓰기 동작(read and write operations) 동안 비트 셀의 접근을 제어하기 위해 워드 라인(word line)(WL)을 사용하여 활성화/비활성화된다.The fundamental building block within an SRAM (Static Random-Access Memory) array is an SRAM cell that stores a single bit of data. The most commonly used SRAM bit cell architecture is a 6- Transistor 6T SRAM Cell Figure 24A shows a 6T SRAM cell 2401 comprising two cross-coupled inverters 2411-2412 and two access transistors 2413-2414. Since SRAM cells contain bistable circuitry, they do not require periodic refresh like DRAM (Dynamic Random-Access Memory) to retain stored information, as long as power is supplied. The two access transistors 2413-2414 are connected to the bit lines ( BL and
Figure pat00079
) and allows bi-directional flow of current between the cells. Access transistors 2413-2414 are enabled/disabled using word lines ( WL ) to control access to bit cells during read and write operations.

SRAM은 유지, 읽기 및 쓰기의 세 가지 작동 모드를 갖는다. 유지 모드에서, 워드 라인은 어서트(assert)되지 않고 액세스 트랜지스터는 셀을 비트 라인에서 분리한다(disconnect). 읽기 동작에서 두 비트 라인은 모두 고전압으로 사전 충전된다. 그런 다음 워드 라인은 액세스 트랜지스터를 활성화하기 위해 하이로 구동된다. 비트 라인 중 하나가 셀에 의해 아래도 당겨지고, 두 비트 라인 사이에 작은 전압 차가 발생된다. 감지 증폭기가(sense amplifier) 활성화되고 비트 라인의 값을 캡처(capture)한다. 쓰기 동작에서 주변의 칼럼 드라이버 회로(컬럼 드라이버 회로 column driver circuit)는 비트 라인을 다르게 구동한다. 그런 다음 워드 라인은 액세스 트랜지스터를 활성화하기 위해 하이로 구동된다. 비트 라인은 셀의 논리 상태를 덮어쓴다(overwrite). 적절한 작동을 보장하기 위해, SRAM 셀의 모든 트랜지스터는 저장된 값이 읽기 동작에서 파괴되지 않고 비트-라인 전압이 쓰기 동작에서 비트 셀의 이전 상태를 무시할 수 있도록 신중하게 크기가 조정되어야 한다.SRAM has three modes of operation: retain, read and write. In hold mode, the word line is not asserted and the access transistor disconnects the cell from the bit line. In a read operation, both bit lines are pre-charged to a high voltage. The word line is then driven high to activate the access transistor. One of the bit lines is also pulled down by the cell, and a small voltage difference is created between the two bit lines. A sense amplifier is activated and captures the value of the bit line. In a write operation, the surrounding column driver circuit (column driver circuit) drives the bit line differently. The word line is then driven high to activate the access transistor. The bit line overwrites the logic state of the cell. To ensure proper operation, all transistors in an SRAM cell must be carefully sized so that the stored value is not destroyed in a read operation and the bit-line voltage can override the previous state of the bit cell in a write operation.

도 24a에 도시된 SRAM 셀(2401)은 두 가지 다른 접근법에 대해 도 24b 및 도 24c에 도시된 바와 같이 QWRTT를 사용하여 구현될 수 있다. 도 24b는 2개의 교차-결합된 인버터(2421-2422) 및 2개의 액세스 트랜지스터(2423-2424)를 포함하는 6T SRAM 셀(2402)의 회로도를 도시한다. 2개의 인버터(2421-2422)는 도 14a에 도시된 바와 같이 QWRTT 인버터(1401)와 동일한 설계를 갖는다. 도 24c는 2개의 교차-결합된 인버터(2431-2432) 및 2개의 액세스 트랜지스터(2433-2434)를 포함하는 6T SRAM 셀(2403)의 회로도를 도시한다. 2개의 인버터(2431-2432)는 도 14b에 도시된 바와 같이 QWRTT 인버터(1402)와 동일한 설계를 갖는다. 도 24b에 도시된 SRAM 셀(2402)은 n-형 및 p-형 QWRTT를 모두 사용하여 구성되고, 도 24c에 도시된 SRAM 셀(2403)은 n-형 QWRTT만을 사용하여 구성된다.The SRAM cell 2401 shown in FIG. 24A can be implemented using QWRTT as shown in FIGS. 24B and 24C for two different approaches. 24B shows a circuit diagram of a 6T SRAM cell 2402 that includes two cross-coupled inverters 2421-2422 and two access transistors 2423-2424. The two inverters 2421-2422 have the same design as the QWRTT inverter 1401 as shown in FIG. 14A. 24C shows a circuit diagram of a 6T SRAM cell 2403 that includes two cross-coupled inverters 2431-2432 and two access transistors 2433-2434. The two inverters 2431-2432 have the same design as the QWRTT inverter 1402 as shown in FIG. 14B. The SRAM cell 2402 shown in FIG. 24B is constructed using both n-type and p-type QWRTTs, and the SRAM cell 2403 shown in FIG. 24C is constructed using only n-type QWRTTs.

앞서 설명한 것처럼, 두 개의 캐스케이디드 인버터가 버퍼로 대체될 수 있다. 도 25a는 버퍼(2511) 및 액세스 트랜지스터(2512)를 포함하는 싱글-앤디드(single-ended) 3-트랜지스터(3T) SRAM 셀(2501)을 도시한다. 버퍼(2511)의 출력은 포지티브 피드백을 생성하고 데이터를 저장하기 위해 동일한 버퍼(2511)의 입력에 연결된다. 도 25a의 3T SRAM 셀(2501)은 도 24a의 6T SRAM 셀(2401)보다 더 작은 면적을 차지하고 적은 수의 트랜지스터를 필요로 한다. 메모리 비트 라인은 일반적으로 무거운 용량성 부하(capacitive loading)를 갖는다. 무거운 비트 라인을 전환하는 것은 읽기 및 쓰기 동작에서 상당한 소비 전력이 발생한다. 싱글-앤디드 설계는 비트 라인의 개수를 최소화한다. 3T SRAM 셀(2501)은 기존의 6T SRAM 셀보다 적은 수의 트랜지스터와 비트 라인을 사용하기 때문에 소비 전력이 줄어들 수 있다.As previously discussed, the two cascaded inverters can be replaced with buffers. 25A shows a single-ended three-transistor (3T) SRAM cell 2501 that includes a buffer 2511 and an access transistor 2512. The output of the buffer 2511 is connected to the input of the same buffer 2511 to generate positive feedback and store data. The 3T SRAM cell 2501 of FIG. 25A occupies a smaller area and requires fewer transistors than the 6T SRAM cell 2401 of FIG. 24A. Memory bit lines usually have heavy capacitive loading. Switching heavy bit lines consumes significant power in read and write operations. The single-ended design minimizes the number of bit lines. Since the 3T SRAM cell 2501 uses fewer transistors and bit lines than the conventional 6T SRAM cell, power consumption can be reduced.

도 25a에 도시된 SRAM 셀(2501)은 두 가지 다른 접근 방식에 대한 도 25b 및 도 25c에 도시된 바와 같이 QWRTT를 사용하여 구현될 수 있다. 도 25b는 버퍼(2521) 및 액세스 트랜지스터(2522)를 포함하는 3T SRAM 셀(2502)의 회로도를 도시한다. 버퍼(2521)는 도 15a에 도시된 QWRTT 버퍼(1501)와 동일한 설계를 갖는다. 도 25c는 버퍼(2531) 및 액세스 트랜지스터(2532)를 포함하는 3T SRAM 셀(2503)의 회로도를 도시한다. 버퍼(2531)는 도 15b에 도시된 QWRTT 버퍼(1502)와 동일한 설계를 갖는다. 도 25b에 도시된 SRAM 셀(2502)은 n-형 및 p-형 QWRTT 모두를 사용하여 구성되는 반면, 도 25c에 도시된 SRAM 셀(2503)은 n-형 QWRTT만을 사용하여 구성된다.The SRAM cell 2501 shown in FIG. 25A can be implemented using QWRTT as shown in FIGS. 25B and 25C for two different approaches. 25B shows a circuit diagram of a 3T SRAM cell 2502 including a buffer 2521 and an access transistor 2522. The buffer 2521 has the same design as the QWRTT buffer 1501 shown in FIG. 15A. 25C shows a circuit diagram of a 3T SRAM cell 2503 including a buffer 2531 and an access transistor 2532. Buffer 2531 has the same design as QWRTT buffer 1502 shown in FIG. 15B. The SRAM cell 2502 shown in FIG. 25B is constructed using both n-type and p-type QWRTTs, whereas the SRAM cell 2503 shown in FIG. 25C is constructed using only n-type QWRTTs.

도 24a 및 도 25a에 도시된 액세스 트랜지스터는 양의 V ON 인 n-형 인핸스먼트 모드 QWRTT이다. 이전에 패스 트랜지스터 논리 섹션에서 설명한 것처럼, 음의 V ON 인 인핸스먼트 모드 QWRTT도 액세스 트랜지스터로 사용될 수 있다. 액세스 트랜지스터가 음의 V ON 을 가질 때, WL전압이 높아 유지 모드에서 액세스 트랜지스터를 비활성화하고 읽기 및 쓰기 동작에서 액세스 트랜지스터를 활성화하려면 WL 전압이 낮다.The access transistor shown in Figs. 24A and 25A is an n-type enhancement mode QWRTT with positive V ON . As previously discussed in the Pass Transistor Logic section, enhancement mode QWRTTs with negative V ON can also be used as access transistors. When the access transistor has negative V ON , the WL voltage is high to disable the access transistor in hold mode and enable the access transistor in read and write operations.

Claims (15)

하나 이상의 양자 와이어 공진 터널링 트랜지스터(QWRTT)에 있어서, 상기 QWRTT 중 적어도 하나는:
이미터 단자;
베이스 단자;
컬렉터 단자;
상기 이미터 단자와 연결된 이미터 영역;
상기 베이스 단자와 연결된 베이스 영역;
상기 컬렉터 단자와 연결된 컬렉터 영역에 있어서, 상기 이미터 영역, 상기 베이스 영역 및 상기 컬렉터 영역 중 적어도 하나는 복수의 금속 양자 와이어를 포함하는 상기 컬렉터 영역;
상기 이미터 영역 및 상기 베이스 영역 사이의 이미터 배리어 영역; 및
상기 컬렉터 영역 및 상기 베이스 영역 사이의 컬렉터 배리어 영역;을 포함하는,
디지털 회로.
One or more quantum wire resonant tunneling transistors (QWRTTs), wherein at least one of the QWRTTs:
emitter terminal;
base terminal;
collector terminal;
an emitter region connected to the emitter terminal;
a base area connected to the base terminal;
In the collector region connected to the collector terminal, at least one of the emitter region, the base region, and the collector region includes a plurality of metal quantum wires;
an emitter barrier region between the emitter region and the base region; and
A collector barrier region between the collector region and the base region;
digital circuit.
제1항에 있어서,
입력 노드;
출력 노드;
하나 이상의 QWRTT를 포함하는 풀-다운 네트워크; 및
하나 이상의 QWRTT를 포함하는 풀-업 네트워크;를 포함하는 상보형 로직 게이트를 더 포함하되,
상기 풀-다운 네트워크 및 상기 풀-업 네트워크는 듀얼 네트워크를 형성하고, 상기 풀-다운 네트워크에서의 하나 이상의 QWRTT의 병렬 연결은 상기 풀-업 네트워크에서의 하나 이상의 QWRTT의 직렬 연결에 대응하거나, 또는 상기 풀-다운 네트워크에서의 하나 이상의 QWRTT의 직렬 연결은 상기 풀-업 네트워크에서의 하나 이상의 QWRTT의 병렬 연결에 대응하는,
디지털 회로.
According to claim 1,
input node;
output node;
a pull-down network comprising one or more QWRTTs; and
A pull-up network comprising one or more QWRTTs;
The pull-down network and the pull-up network form a dual network, and parallel connection of one or more QWRTTs in the pull-down network corresponds to serial connection of one or more QWRTTs in the pull-up network, or The serial connection of one or more QWRTTs in the pull-down network corresponds to the parallel connection of one or more QWRTTs in the pull-up network.
digital circuit.
제2항에 있어서,
상기 상보형 로직 게이트의 입력 노드는 상기 풀-다운 네트워크에서의 하나 이상의 QWRTT의 베이스 단자와 연결되고,
상기 상보형 로직 게이트의 입력 노드는 상기 풀-업 네트워크에서의 하나 이상의 QWRTT의 베이스 단자와 연결되는,
디지털 회로.
According to claim 2,
an input node of the complementary logic gate is connected to a base terminal of one or more QWRTTs in the pull-down network;
An input node of the complementary logic gate is connected to a base terminal of one or more QWRTTs in the pull-up network.
digital circuit.
제2항에 있어서,
상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-다운 네트워크는 양의 온-전압 V ON 을 갖는 하나 이상의 인핸스먼트 모드 QWRTT를 포함하고,
상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-업 네트워크는 음의 V ON 을 갖는 하나 이상의 인핸스먼트 모드 QWRTT를 포함하는,
디지털 회로.
According to claim 2,
the pull-down network of the complementary logic gates includes one or more enhancement mode QWRTTs having a positive on-voltage V ON ;
wherein the pull-up network of the complementary logic gates comprises one or more enhancement mode QWRTTs with negative V ON .
digital circuit.
제2항에 있어서,
상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-다운 네트워크는 하나 이상의 노멀리 온 QWRTT를 포함하고,
상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-업 네트워크는 하나 이상의 노멀리 온 QWRTT를 포함하는,
디지털 회로.
According to claim 2,
the pull-down network of the complementary logic gates includes one or more normally on QWRTTs;
wherein the pull-up network of the complementary logic gates comprises one or more normally on QWRTTs.
digital circuit.
제2항에 있어서,
상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-다운 네트워크는 하나 이상의 n-형 QWRTT를 포함하고,
상기 상보형 로직 게이트의 상기 풀-업 네트워크는 하나 이상의 n-형 QWRTT를 포함하는,
디지털 회로.
According to claim 2,
the pull-down network of the complementary logic gates includes one or more n-type QWRTTs;
the pull-up network of the complementary logic gates comprises one or more n-type QWRTTs;
digital circuit.
제2항에 있어서,
상기 상보형 로직 게이트는 AND 게이트, OR 게이트, NOT 게이트, 버퍼, NAND 게이트, NOR 게이트 또는 상기 AND 게이트, OR 게이트, NOT 게이트, 버퍼, NAND 게이트 및 NOR 게이트 중 적어도 두 개의 조합을 포함하는,
디지털 회로.
According to claim 2,
wherein the complementary logic gate comprises an AND gate, an OR gate, a NOT gate, a buffer, a NAND gate, a NOR gate, or a combination of at least two of the AND gate, OR gate, NOT gate, buffer, NAND gate, and NOR gate;
digital circuit.
제1항에 있어서,
양의 V ON 을 가지는 하나 이상의 인핸스먼트 모드 QWRTT 또는 음의 V ON 을 가지는 하나 이상의 인핸스먼트 모드 QWRTT을 포함하는 패스 트랜지스터 로직 게이트를 더 포함하는,
디지털 회로.
According to claim 1,
further comprising a pass transistor logic gate comprising one or more enhancement mode QWRTTs with positive V ON or one or more enhancement mode QWRTTs with negative V ON ;
digital circuit.
제1항에 있어서,
데이터의 비트를 저장하는 쌍안정 회로를 포함하는 기억 소자로서, 상기 쌍안정 회로는 하나 이상의 QWRTT를 포함하는 상기 기억 소자를 더 포함하는,
디지털 회로.
According to claim 1,
A storage element comprising a bistable circuit for storing bits of data, said bistable circuit further comprising said storage element comprising one or more QWRTTs.
digital circuit.
제9항에 있어서,
상기 쌍안정 회로는 2개의 인버터 또는 하나의 버퍼를 포함하는,
디지털 회로.
According to claim 9,
The bistable circuit comprises two inverters or one buffer,
digital circuit.
제9항에 있어서,
상기 기억 소자는,
4개의 인핸스먼트 모드 QWRTT에 의해 형성된 2개의 교차-결합된 인버터;
2개의 인핸스먼트 모드 QWRTT에 의해 형성된 2개의 액세스 트랜지스터;
워드 라인; 및
2개의 비트 라인;을 포함하는 6-트랜지스터(6T) SRAM 셀을 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 워드 라인 및 상기 2개의 비트 라인은 상기 SRAM 셀을 어드레스(address)하고 읽기 및 쓰기 동작에서 저장된 데이터에 액세스하도록 구성되는,
디지털 회로.
According to claim 9,
The memory element,
two cross-coupled inverters formed by four enhancement mode QWRTTs;
two access transistors formed by two enhancement mode QWRTTs;
word line; and
It is characterized in that it comprises a 6-transistor (6T) SRAM cell including; two bit lines,
wherein the word line and the two bit lines are configured to address the SRAM cell and access stored data in read and write operations.
digital circuit.
제9항에 있어서,
상기 기억 소자는:
2개의 노멀리 온 트랜지스터에 의해 형성되는 버퍼;
하나의 인핸스먼트 모드 트랜지스터에 의해 형성되는 액세스 트랜지스터;
워드 라인; 및
비트 라인;을 포함하는 3-트랜지스터(3T) SRAM 셀을 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 워드 라인 및 상기 비트 라인은 상기 SRAM 셀을 어드레스하고 읽기 및 쓰기 동작에서 저장된 데이터에 액세스하도록 구성되는,
디지털 회로.
According to claim 9,
The storage element is:
a buffer formed by two normally-on transistors;
an access transistor formed by one enhancement mode transistor;
word line; and
It is characterized in that it comprises a 3-transistor (3T) SRAM cell including a; bit line,
wherein the word line and the bit line are configured to address the SRAM cell and access stored data in read and write operations.
digital circuit.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 QWRTT는 n-형 및 p-형 디바이스를 포함하고,
상기 n-형 및 상기 p-형 디바이스가 V ON = 0 V인 노멀리 온 트랜지스터, 양의 V ON 인핸스먼트 모드 트랜지스터, 또는 음의 V ON 인 인핸스먼트 모드 트랜지스터로서 구성되는,
디지털 회로.
According to claim 1,
the one or more QWRTTs include n-type and p-type devices;
Wherein the n-type and the p-type devices are configured as normally on transistors with V ON = 0 V, enhancement mode transistors with positive V ON , or enhancement mode transistors with negative V ON ,
digital circuit.
제13항에 있어서,
상기 인핸스먼트 모드 QWRTT는 다수의 V ON 값을 갖고, 상기 인핸스먼트 모드 QWRTT는 다수의 전원 전압으로 동작하도록 구성되는,
디지털 회로.
According to claim 13,
wherein the enhancement mode QWRTT has multiple V ON values, and the enhancement mode QWRTT is configured to operate with multiple supply voltages.
digital circuit.
제1항에 있어서,
상기 복수의 금속 양자 와이어는 결정질 반도체의 개방 채널에 금속 이온을 주입하여 형성되고, 이온 주입에 사용되는 마스크 층이 웨이퍼 표면 상에 격자 구조로 정렬되는,
디지털 회로.
According to claim 1,
The plurality of metal quantum wires are formed by implanting metal ions into open channels of a crystalline semiconductor, and a mask layer used for ion implantation is aligned in a lattice structure on a wafer surface.
digital circuit.
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