ЭЛЕМЕНТ ТРОИЧНОЙ ЛОГИКИ Российский патент 2010 года по МПК H01L27/00 B82B1/00 

Изобретение относится к области физики полупроводников, в частности к полупроводниковым наноструктурам, и может быть использовано при создании высокоэффективных компьютеров, использующих троичную логику. В последнее время интерес к троичной логике и арифметике стремительно возрос благодаря замечательным свойствам симметричного кода чисел и возможностей практической реализации [1].

Существует два подхода к аппаратной реализации элементов троичной логики. Первый - моделирование троичных функций с помощью кодирования в двоичном виде (binary coded ternary, BCT representation). В этом представлении существует несколько вариантов кодировки, но в любом случае на два бита приходится один трит, и еще один уровень остается неопределенным. Второй подход несомненно более привлекателен и заключается в использовании управляемых электронных ключей при симметричном питании. Условие функционирования такого устройства: в определенном логическом состоянии замкнут только один ключ при разомкнутых остальных (см Фиг.1, на которой изображена простейшая трехуровневая схема с использованием управляемых ключей, а также S(0) - входной сигнал, «out» - выходной) [2].

Для реализации такого устройства обычно используют достаточно сложные в изготовлении полевые транзисторы со встроенным каналом. В связи с наличием встроенного канала в таком транзисторе при нулевом напряжении на затворе поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда [3]. Использование комбинации полевых транзисторов имеет ряд недостатков: высокое энергопотребление, большие микронные размеры, сложность компоновки и др.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемого устройства является полевой транзистор на коллоидных квантовых точках в форме тетраподов [5]. Устоявшейся русскоязычной терминологии нет, и в данном тексте используется понятие «фрагмент» - одна из четырех протяженных частей тетрапода, которые соединены в точке ветвления (см. Фиг.2).

Исследована зависимость тока, протекающего от (1) источника (source) к (2) стоку (drain) от напряжения на (3) затворе (gate) (Фиг.3, на которой показан тетрапод CdTe на трех контактных площадках - реализация полевого транзистора, (5) - подложка, и Фиг.4, где представлено изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа при масштабе - 100 нм). В рассматриваемом примере оставался незадействованным четвертый фрагмент (4) (arm) тетрапода, что не позволило его использовать в качестве элемента троичной логики.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение класса элементов троичной логики.

Предложен новый элемент троичной логики, содержащий три планарных электрода, представляющих собой металлические дорожки шириной 20-30 нм и расположенных под углом 120° по отношению друг к другу на диэлектрической подложке.

Три электрода являются ламелями, на которые помещается нанотетрапод, представляющий наночастицу халькогенидов кадмия, в частности CdTe/CdSe, CdSe/CdS, в классе золей. Размер фрагментов нанотетрапода должен превышать 30 нм для надежной установки объекта на трех ламелях. На созданную конструкцию наносится слой диэлектрика (например, методом spin-coating - центрифугирования). Толщина слоя диэлектрика определяется размерами нанотетрапода и подбирается таким образом, чтобы часть «верхнего» фрагмента нанотетрапода оставалась свободной. Затем наносится металлический слой, играющий роль четвертого контакта. К «верхнему» электроду прикладывается напряжение, три «нижних» электрода выполняют роль ключей троичной логики.

Предлагаемый новый элемент троичной логики использует уникальное свойство полупроводниковых гетероструктур наноразмерного масштаба, заключающееся в разветвленной пространственной конфигурации полупроводниковой гетероструктуры типа II, в частности - частицы с пространственной конфигурацией тетрапода (группа симметрии T_d), помещенной в матрицу более низкой симметрии, в частности - в планарную двухслойную структуру полимер-металл.

В заявляемом элементе троичной логики предлагается использовать наноразмерные объекты - нанотетраподы. Нанотетраподы - новый класс коллоидных нанокристаллов (квантовых точек) с характерными размерами около 10 нм. Нанотетраподы - несферические квантовые точки получены коллоидным методом в неполярном органическом растворителе с использованием олеиновой кислоты как стабилизатора. Для получения ядер CdTe и наращивания оболочки CdSe используются различные режимы пересыщения. Квантовые точки CdTe со средним размером 3-4,5 нм и степенью монодисперсности 5-10% синтезируются интервале температур роста 120-240°С. Спектроскопия поглощения дает информацию об изменении размера и концентрации квантовых точек в ходе синтеза. Возможна оценка (52 кДж/моль) энергии активации зародышеобразования для интервала температур 160-240°С. Константа скорости роста, расчитанная в рамках кинетической модели роста, варьируется в диапазоне 0.9-2.7 нм/с для температур 160-240°С [4].

Источники информации

1. Alexey Stakhov. Brousentsov's Ternary Principle, Bergman's Number System and Ternary Mirrorsymmetrical Arithmetic. The Computer Journal. Vol.45; 2, pp.221-236, 2002.

2. Patent US 3662193, Robert C. Braddock Tri-stable circuit. May 9, 1972.

3. Авторское свидетельство SU 1832377 А1. Кушниренко А.Н. Коньюнктор на МДП транзисторах 07.08.1993.

4. R.B.Vasiliev, D.N.Dirin, M.S.Sokolikova, A.G.Vitukhnovsky, A.M.Gaskov. Growth of near-IR luminescence colloidal CdTe/CdS nanoheterostructures based on CdTe tetrapods. Mendeleev Communications, 2008, in prin.

5. Yi Cut, U.Banin, M.T.Bjork & A.P.Alivisatos. Nano Lett. 5, 1519-1523 (2005).

Изобретение относится к области физики полупроводников, в частности к полупроводниковым наноструктурам, и может быть использовано при создании высокоэффективных компьютеров, использующих троичную логику. Сущность изобретения: в элементе троичной логики на основе нанотетрапода халькогенида кадмия, три фрагмента которого находятся в контакте с тремя планарными электродами, расположенными под углом 120° по отношению друг к другу на диэлектрической подложке, эти три фрагмента нанотетрапода помещены в диэлектрическую матрицу с толщиной, не превышающей размер нанотетрапода, а четвертый фрагмент нанотетрапода контактирует с планарным электродом, нанесенным на диэлектрическую матрицу параллельно диэлектрической подложке. Изобретение позволяет расширить класс элементов троичной логики. 4 ил.

Элемент троичной логики на основе нанотетрапода халькогенида кадмия, три фрагмента которого находятся в контакте с тремя планарными электродами, расположенными под углом 120° по отношению друг к другу на диэлектрической подложке, отличающийся тем, что эти три фрагмента нанотетрапода помещены в диэлектрическую матрицу с толщиной, не превышающей размер нанотетрапода, а четвертый фрагмент нанотетрапода контактирует с планарным электродом, нанесенным на диэлектрическую матрицу параллельно диэлектрической подложке.