SE513864C2 - Logikkretsar innefattande Y-grenelektronvågomkopplare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 513 864 2 kopplaren någon högre omkopplingsspänning än den termiskt begränsade spänningen kBT/e, där kB är Bolzmanns konstant.

(Jämför "Quantum interference devices and field-effect tran- sistors: A switch energy comparison" av T. Palm, L. Thylén, O. Nilsson och C. Svensson i J. Appl. Phys., Vol. 74, nr. 1, Sid 687-694, 1993).

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen består i att konstruera logikkret- sar under användande av Y-grenelektronvågomkopplare.

Detta ernås enligt uppfinningen medelst de i kraven angivna logikkretsarna.

FIGURBESKRIVNING Logikkretsarna enligt uppfinningen kommer att beskrivas när- mare nedan under hänvisning till bifogade ritning, på vilken Fig. 1 visar en första utföringsform av en inverterare, Fig. 2a visar en andra utföringsform av en inverterare, Fig. 2b visar en första utföringsform av en logisk implikationsgrind, Fig. 2c visar en första utföringsform av en NOCH-grind, Fig. 2d visar en första utföringsform av en NELLER-grind, Fig. 3 visar en tredje utföringsform av en inverterare, Fig. 4 visar en andra utföringsform av en NOCH-grind, Fig. 5 visar en andra utföringsform av en NELLER-grind och Fig. 6 visar en andra utföringsform av en grind för implementering av en logisk implikationsfunktion.

FÖREDRAGNA UTFöRINGsFoRMER Fig. 1 visar en första utföringsform av en inverterare enligt uppfinningen.

Inverteraren enligt fig. 1 innefattar en Y-grenelektronvåg- omkopplare 1 med en emitter S1, som är anordnad att anslutas till en hög matningsspänning VDD, en första kollektor Dl', en andra kollektor Dl" samt ett styre G1. Styret G1 utgör inver- terarens ingångsklämma och är anordnad att i beroende på dess 10 15 20 25 30 35 513 864 3 insignal VG omkoppla en emitterström IDD mellan den första kollektorn D1' och den andra kollektorn D1". Den första kol- lektorn Dl' är seriekopplad med ett motstånd R1' till en låg matningsspänning, som vid den visade utföringsformen är lika med jord. Den andra kollektorn Dl" är seriekopplad med ett motstånd R1" till samma låga matningsspänning, dvs jord, som motståndet R1'. Vid den visade utföringsformen utgörs inver- terarens utgångsklämma av hopkopplingspunkten mellan den and- ra kollektorn D1" och motståndet Rl".

När insignalen VG över styret Gl är låg kommer emittern S1 att vara förbunden med kollektorn Dl" och dra upp utspänning- en Vøut till den höga matningsspänningen VDD. När insignalen VG är hög kommer emittern S1 att vara förbunden med jord via motståndet R1', medan motståndet R1" kommer att säkerställa att utspänningen Vout dras ned till en låg spänning.

En annan utföringsform av en inverterare enligt uppfinningen visas i fig. 3.

Inverteraren enligt fig. 3 innefattar en första Y-grenelekt- ronvågomkopplare 2 och en andra Y-grenelektronomkopplare 3, vilka är av samma typ som Y-grenomkopplaren 1 i fig. 1. Var och en av Y-grenomkopplarna 2 och 3 i fig. 3 innefattar såle- en första kollektor D2' res- des en emitter S2 respektive S3, pektive D3', en andra kollektor D2" respektive D3" samt ett styre G2 respektive G3.

Emittrarna S2 och S3 hos Y-grenomkopplarna 2 respektive 3 är anslutna till en hög matningsspänning VDD respektive en låg matningsspänning, exempelvis jord.

Enligt uppfinningen är omkopplarens 2 styre G2 och omkopp- larens 3 styre G3 hopkopplade och hopkopplingspunkten utgör ingångsklämman hos inverteraren enligt fig. 3, vilken till- förs en insignal VG.

Omkopplarens 2 kollektor D2' är förbunden med omkopplarens 3 kollektor D3", medan omkopplarens 2 kollektor D2" är förbun- 10 15 20 25 30 35 513 864 4 den med omkopplarens 3 kollektor D3'. Hopkopplingspunkten mellan kollektorerna D2" och D3' utgör inverterarens utgångs- klämma såsom indikeras medelst Vout.

När insignalen VG är hög i inverteraren enligt fig. 3 förbin- der omkopplaren 3 utgångsklämman Vout med jord, medan omkopp- laren 2 förbinder hopkopplingspunkten Va mellan kollektorerna D2' och D3" med VDD. När insignalen VG blir låg kommer Vout att i stället vara ansluten till VDD medan Va kommer att vara förbunden med jord. Ström kommer således att flyta genom grinden endast under omkopplingen, vilket är analogt med hur komplementära metalloxidhalvledare (CMOS) uppför sig. 1 är analog med NMOS, medan inverte- I samband med fälteffekt- Inverteraren enligt fig. raren i fig. 3 är analog med CMOS. transistorer har NMOS till stor del ersatts av CMOS och av samma skäl föredras inverteraren enligt fig. 3 framför inver- teraren enligt fig. 1.

Fig. 4 visar en utföringsform av en NOCH-grind, som innefat- tar två inverterare av den i fig. 3 visade typen. Liksom i fig. 3 innefattar var och en av inverterarna i fig. 4 två Y-grenomkopplare 4 och 5 respektive 6 och 7. Var och en av omkopplarna 4, 5, 6 och 7 innefattar en emitter S4, S5, S6 en första kollektor D4', D5', D5", D6" respektive D7" och ett G6 respektive G7. respektive S7, D6' respektive D7', styre G4, en andra kollektor D4", G5, Såsom framgår av fig. 4 är hopkopplingspunkten mellan omkopp- larens 4 kollektor D4" och omkopplarens 5 kollektor D5' för- bunden med omkopplarens 7 emitter S7. Hopkopplingspunkten mellan omkopplarens 6 kollektor D6" och omkopplarens 7 kol- lektor D7' utgör utgångsklämman hos utföringsformen av NOCH- grinden i fig. 4. Emittrarna S4 och S6 hos omkopplarna 4 respektive 6 är båda anslutna till en hög matningsspänning VDD, medan omkopplarens 5 emitter är ansluten till jord på samma sätt som i fig. 3.

Den vänstra inverteraren som innefattar omkopplarna 4 och 5 10 15 20 25 30 35 513 864 5 styrs medelst en över styrena G4 och G5 påtryckt ingångsstyr- spänning VGI och avger spänningen Vb till emittern S7 hos omkopplaren 7 i den högra inverteraren. I denna högra inver- terare styr en ingångsstyrspänning VG2 huruvida utspänningen Vout blir VDD eller Vb. Endast om båda styrspänningarna VG1 och VG2 är logiska ettor kommer utgångsklämman att vara an- sluten till jord.

Fig. 5 visar en utföringsform av en NELLER-grind som ävenle- des innefattar två inverterare av i fig. 3 visad typ. Liksom i fig. 3 innefattar respektive inverterare i fig. 4 två Y-grenomkopplare 8 och 9 respektive 10 och 11. Var och en av omkopplarna 8, 9, 10 och 11 innefattar en emitter S8, S9, S10 respektive S11, en första kollektor D8', D9', D10' respektive D11', en andra kollektor D8", D9", D10" respektive D11" samt ett styre G8, G9, G10 respektive G11.

Den enda skillnaden mellan NELLER-grinden i fig. 5 och NOCH- grinden i fig. 4 är att omkopplarens 10 emitter S10 är anslu- ten till hopkopplingspunkten mellan omkopplarens 8 andra kol- lektor D8" och omkopplarens 9 första kollektor D9', medan omkopplarens 11 emitter S11 är ansluten till jord.

Fig. 6 visar en utföringsform av en krets som implementerar en logisk implikationsfunktion och som är baserad på inverte- raren enligt fig. 3, dvs med två Y-grenomkopplare 12 och 13 som innefattar en emitter S12 respektive S13, en första kol- lektor D12' respektive D13'. En andra kollektor D12" respek- tive D13" samt två styren G12' och G12" respektive G13' och G13". Hopkopplingspunkten mellan styrena G12' och G13' utgör en första ingångsklämma för en styrspänning VGI, medan hop- kopplingspunkten mellan styrena G12" och G13" utgör en andra ingångsklämma för en styrspänning VG2.

Den logiska implikationsgrinden enligt fig. 6 alstrar utsig- nalerna Va = VGI x VG2 och Vout = VG2 + V61, dvs båda komple- mentära utsignalerna alstras. Detta ger en storleksminskning med en faktor två jämfört med NOCH-grinden i fig. 5 till pri- set av en okonventionell logisk basfunktion. 10 15 20 25 30 35 513 864 6 Den logiska implikationsgrinden i fig. 6 erfordrar att de två Y-grenomkopplarna 12 och 13 är asymmetriska såsom antyds me- delst en tjockare linje för kollektorerna D12" respektive D13". Den tjocka linjen symboliserar att strömmen kommer att flyta i den "tjocklinjiga" kollektorn när styrspänningarna VGl och VG2 är lika stora över de två styrena. Om VG2 2 VG1 kommer således Y-grenomkopplaren 12 att ansluta emittern S12 till kollektorn D12" och Y-grenomkopplaren 13 kommer att an- sluta emittern S13 till kollektorn D13". Om VG2 < VG1 kommer emittern S12 att vara ansluten till kollektorn D12', medan emittern S13 kommer att vara ansluten till kollektorn D13'.

An mindre version av en inverterare kan uppbyggas under an- vändande av en enda Y-grenomkopplare 14 med ett styre G14 som användes såsom en ingångsklämma såsom visas i fig. 2a.

Y-grenomkopplarens 14 båda kollektorer D14' och D14" är an- slutna till en lågspänningskälla respektive en högspännings- källa, medan emittern S14 används som utgångsklämma.

För faskoherent transport flyter ingen ström mellan grenarna D14' och D14" när Y-grenomkopplaren 14 är förspänd, dvs när Vcl = O eller 1. En ström flyter direkt mellan VDD och jord endast för mellanliggande värden, dvs under omkoppling.

Inverteraren enligt fig. Za kommer att vara känsligare för oelastisk spridning än inverterarna enligt fig. 1 och 3 ef- tersom spridning kan förorsaka en läckström mellan de båda kollektorerna D14' och D14". Vid inverteraren i fig. 2a kom- mer detta att leda till en större förlusteffektökning.

Pig. 2b visar en på inverteraren enligt fig. 2a baserad ut- föringsform av en grind som implementerar en logisk implika- tion och som endast erfordrar en enda Y-grenomkopplare 15.

Y-grenomkopplarens 15 båda kollektorer D15' och D15" är anslutna till en låg matningsspänning, jord, respektive en hög matningsspänning VDD, medan emittern S15 används som ut- gångsklämma. Två styren G15' och G15" förefinnes enligt denna utföringsform och styrena G15' och G15" påtryckes styrspän- ningar VGI respektive VG2. Utsignalen Vøut = Vol + Vcz 10 15 20 25 30 35 513 864 7 alstras härvid. Y-grenomkopplaren 15 enligt fíg. 2b är asym- metrisk liksom den logiska implikationsgrinden enligt fíg. 6, dvs emittern S15 är ansluten till kollektorn D15' om VGl 2 VG2 och till kollektorn D15" om VGI < VG2.

Pig. 2c visar en utföringsform av en NOCH-grind som är base- rad på en kombination av inverteraren enligt fíg. 2a och den logiska implikationsgrinden enligt fig. 2b.

Såsom framgår av fíg. 2c innefattar NOCH-grinden en Y-grene- lektronvågomkopplare 16 med en emitter S16, en första kollek- tor D16', en andra kollektor D16" och ett styre G16 som utgör en första ingångsklämma hos NOCH-grinden. Den första kollek- torn D16' och den andra kollektorn D16" slutas till en lågspänningskälla respektive en högspännings- källa, medan emittern S16 är förbunden med det andra styret G17" hos en andra Y-grenelektronvågomkopplare 17, vars första är anordnade att an- styre G17' utgör en andra ingångsklämma hos NOCH-grinden. Den första kollektorn D17' och den andra kollektorn D17" hos den- na andra Y-grenelektronvågomkopplare 17 är anordnade att an- slutas till en lågspänningskälla respektive en högspännings- källa, medan emittern S17 hos Y-grenelektronvågomkopplaren 17 utgör NOCH-grindens utgångsklämma.

Fig. 2d visar en utföringsform av en NELLER-grind som också är baserad på en kombination av inverteraren enligt fig. za och den logiska implikationsgrinden enligt fig. 2b.

Såsom framgår av fig. 2d innefattar NELLER-grinden en Y-gre- nelektronvågomkopplare 18 med en emitter S18, en första kol- lektor D18', en andra kollektor D18" och ett styre G18 som utgör en första ingångsklämma hos NELLER-grinden. Den första kollektorn D18' att anslutas till en lågspänningskälla respektive en högspän- medan emittern S18 är ansluten till det första och den andra kollektorn D18" är anordnade ningskälla, styret G19' hos en Y-grenelektronvågomkopplare 19, vars andra styre G19" utgör en andra ingångsklämma hos NELLER-grinden.

Y-grenelektronvågomkopplarens 19 första kollektor D19' och andra kollektor D19" är anordnade att anslutas till en 10 15 20 25 30 35 513 864 8 högspänningskälla respektive en lågspänningskälla, medan em- ittern S19 hos Y-grenelektronvågomkopplaren 19 utgör NELLER- grindens utgångsklämma.

I samtliga ovan beskrivna grindar erfordras faskoherent tran- sport i Y-grenen för att säkerställa korrekt funktion. Detta krav framgår tydligt av ovannämnda US-A-5,367,274. När en sluten slinga av ledare bildas såsom mellan de båda Y-grenom- kopplarna 2 och 3 i fig. 3 (och även i fig. 4-6) är det dess- utom väsentligt att faskoherensen bryts någonstans i denna slinga.

Med faskoherent transport kan slingan fungera som en Aharo- nov-Bohm-interferometer ("Proposed structure for large quan- tum interference effects", S. Datta, M.R. Melloch, S. Bandyo- padhyay, och M.S. Lundström, Appl. Phys. Lett., Vol. 48, No. 7, sid 487, 1986), vilket icke avses i detta sammanhang. In- terferometern skulle addera svängningar av okontrollerbar natur i beroende av förändrade styrspänningar.

Under användande av dagens tillverkningsteknik blir vägläng- den runt slingan, exempelvis i fig. 3, mycket längre än den oelastiska fria medelvägen för en elektron, vilket säkerstäl- ler att inga Aharanov-Bohm-svängningar kommer att uppträda.

Om bättre tillverkningsteknik tillåter att elektronernas fria medelväg blir jämförbar med slingans väglängd måste en speci- ell anordning insättas på något ställe i slingan. Denna anordning vars syfte är att åstadkomma oelastisk spridning, kan helt enkelt bestå av ett halvledarstycke av lägre kvali- tet.

Logikkretsarna enligt uppfinningen medger en högre integra- tionsgrad än dagens anordningar. De lägre arbetsspänningarna kommer även att minska energiförbrukningen, som ofta är en begränsande faktor i integrerad elektronik.

Claims (9)

lO 15 20 25 30 35 515 864 PATENTKRAV

1. Logikkrets med minst en första ingångsklämma och minst en första utgångsklämma, kännetecknad av - att densamma innefattar minst en första och en andra Y- grenelektronvågomkopplare (2, 3), som var och en har en emit- ter (S2, S3), en första kollektor (D2', D3'), en andra kol- lektor (D2", D3") och minst ett första styre (G2, G3) för att koppla en emitterström (IDD) mellan den första och den andra kollektorn (D2', D3'; D2", D3"), - att nämnda första och nämnda andra Y-grenomkopplares (2, 3) emittrar (S2, S3) är anordnade att anslutas till en högspän- ningskälla respektive en lågspänningskälla, - att nämnda första och nämnda andra Y-grenomkopplares (2, 3) första styren (G2, G3) är hopkopplade, varvid hopkopplings- punkten mellan nämnda första styren (G2, G3) utgör nämnda första ingångsklämma, - att den första Y-grenomkopplarens (2) första kollektor (D2') är förbunden med den andra Y-grenomkopplarens (3) andra kollektor (D3") och - att den första Y-grenomkopplarens (2) (D2") är förbunden med den andra Y-grenomkopplarens (3) för- sta kollektor (D3'), varvid hopkopplingspunkten mellan den första Y-grenomkopplarens (2) andra kollektor (D2") och den andra Y-grenomkopplarens (3) första kollektor (D3') utgör andra kollektor nämnda första utgångsklämma.

2. Logikkrets enligt kravet 1, kännetecknad av - att nämnda första utgångsklämma är ansluten till emittern (S7) hos en tredje Y-grenelektronvågomkopplare (7), - att den tredje Y-grenomkopplarens (7) första kollektor (D7') är ansluten till den andra kollektorn (D6") hos en fjä- rde Y-grenelektronvågomkopplare (6), varvid hopkopplingspunk- ten mellan nämnda första kollektor (D7') hos den tredje Y- grenomkopplaren (7) och nämnda andra kollektor (D6") hos den fjärde Y-grenomkopplaren (6) utgör en andra utgångsklämma, - att den tredje Y-grenomkopplarens (7) andra kollektor (D7“) är ansluten till den fjärde Y-grenomkopplarens (6) första kollektor (D6'), 10 15 20 25 30 35 513 864 10 - att nämnda tredje och fjärde Y-grenomkopplares (7,6) första styren (G7, G6) är hopkopplade, varvid hopkopplingspunkten mellan nämnda första styren (G7, G6) utgör en andra ingångs- klämma och - att nämnda fjärde Y-grenomkopplares (6) emitter (S6) är anordnad att anslutas till nämnda högspänningskälla.

3. Logikkrets enligt krav 1, kännetecknad av - att nämnda första utgångsklämma är ansluten till emittern (S10) hos en femte Y-grenelektronvågomkopplare (10), - att den femte Y-grenomkopplarens (10) andra kollektor (D10") är ansluten till den första kollektorn (D11') hos en sjätte Y-grenelektronvågomkopplare (11), varvid hopkopplings- punkten mellan nämnda andra kollektor (D10") hos den femte Y- grenomkopplaren (10) och nämnda första kollektor (D11') hos den sjätte Y-grenomkopplaren (11) utgör en andra utgångskläm- ma, - att den första kollektorn (D10') hos den femte Y-grenom- kopplaren (10) är ansluten till den andra kollektorn (D11") hos den sjätte Y-grenomkopplaren (11), - att nämnda femte och sjätte Y-grenomkopplares (10, sta styren (G10, G11) är hopkopplade, varvid hopkopplings- punkten mellan nämnda första styren (G10, G11) utgör en andra ll) för- ingångsklämma och - att nämnda sjätte Y~grenomkopplares (11) emitter (S11) är anordnad att anslutas till nämnda låga matningsspänning.

4. Logikkrets enligt krav 1, kännetecknad av - att var och en av nämnda första och nämnda andra Y-gren- elektronvågomkopplare (12, 13) har ett andra styre (G12", G13") och - att nämnda andra styren (G12", G13") är hopkopplade, varvid hopkopplingspunkten mellan nämnda andra styren (G12", G13") utgör en andra ingångsklämma.

5. Logikkrets med minst en ingångsklämma och en utgângskläm- ma, kännetecknad av - att densamma innefattar en Y-grenelektronvågomkopplare (14) en första kollektor (D14'), en andra med en emítter (S14), 10 15 20 25 30 35 513 864 ll kollektor (D14“) och ett styre (G14) som utgör en första in- gångsklämma, - att den första kollektorn (D14') och den andra kollektorn (D14") är anordnade att anslutas till en lågspänningskälla respektive en högspänningskälla och - att emittern (S14) utgör nämnda utgångsklämma.

6. Logikkrets enligt krav 5, kännetecknad av att den innefat- tar ett andra styre (Gl5“) som utgör en andra ingångsklämma.

7. Logikkrets enligt krav 5, kännetecknad av - att emittern (S16) är ansluten till det andra styret (G17") hos en andra Y-grenelektronvâgomkopplare (17) vars första styre (G17') utgör en andra ingångsklämma, - att den första kollektorn (D17') och den andra kollektorn (D17") hos nämnda andra Y-grenelektronvågomkopplare (17) är anordnade att anslutas till en lågspänningskälla respektive en högspänningskälla och - att nämnda andra Y-grenelektronvågomkopplares (17) emitter (S17) utgör utgångsklämman.

8. Logikkrets enligt krav 5, kännetecknad av - att emittern (S18) är ansluten till det första styret (G19') hos en tredje Y-grenelektronvågomkopplare (19), vars andra styre (G19") utgör en andra ingångsklämma, - att nämnda tredje Y-grenelektronvågomkopplares (19) första kollektor (D19') och andra kollektor (D19") är anordnade att anslutas till en högspänningskälla respektive en lågspän- ningskälla och - att nämnda tredje Y-grenelektronvågomkopplares (19) emitter (S19) utgör utgångsklämman.

9. Logikkrets med en ingångsklämma och en utgångsklämma, kän- netecknad av - att densamma innefattar en Y-grenelektronvågomkopplare (1) med en emitter (S1), en första kollektor (D1'), lektor (D1“) och ett styre (G1) som utgör nämnda ingångskläm- ma för omkoppling av en emitterström (IDD) mellan den första och den andra kollektorn (D1'), (Dl"), en andra kol- 513 864 12 - att emittern (S1) är anordnad att anslutas till en hög mat- ningsspänning (VDD) och - att den första kollektorn (D1') i serie med ett första mot- stånd (R1') och den andra kollektorn (D1") i serie med ett andra motstånd (R1") är anordnade att anslutas till en låg matningsspänning, varvid hopkopplingspunkten mellan den andra kollektorn (D1") och det andra motståndet (R1") utgör nämnda utgångsklämma.