摘要: 自从上世纪60年代以来，集成电路(IC)产业一直按照摩尔定律所预计的方式高速发展着，现在已成为国民经济中重要的组成部分。然而，随着工艺尺寸的不断缩小，集成度越来越高，互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺正面临着诸多物理瓶颈，如热耗散问题、短沟... 展开 自从上世纪60年代以来，集成电路(IC)产业一直按照摩尔定律所预计的方式高速发展着，现在已成为国民经济中重要的组成部分。然而，随着工艺尺寸的不断缩小，集成度越来越高，互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺正面临着诸多物理瓶颈，如热耗散问题、短沟道效应和量子力学效应等。同时，纳米电子器件，包括单晶体管、共振隧穿二极管(RTD)等，将会成为后CMOS时期集成电路的重要技术之一。 共振隧穿二极管是利用共振隧穿效应制造的高速二端器件，也是目前唯一能够使用常规IC技术设计和制造的纳米电子器件。它具有工作频率高、速度快、电路功耗低、负内阻和自锁等特性，广泛应用于高速低功耗电路设计中。同时，通用逻辑单元作为一种可编程逻辑电路，具有实现功能丰富、设计灵活等特点，是构成大规模集成电路的单元模块。RTD器件因为其特性，非常适合于设计通用逻辑单元。因此，提出有效的RTD通用逻辑单元电路结构和设计方法成为共振隧穿二极管研究领域的重要内容之一。 在本文中，首先将谱技术应用到RTD电路设计中，用以区分阈值函数和非阈值函数。根据谱系数在阈值函数中的分布情况，结合单双稳态转换逻辑电路(MOBILE)，设计了三变量特征阈值逻辑门和通用阈值逻辑门电路。特征阈值逻辑门具有电路结构简单，输入权值统一，输入端数目较少等特点。而通用阈值逻辑门增加了单个门电路的逻辑功能，通过输入的不同连接方法，三变量通用阈值逻辑门可以实现任意三变量阈值逻辑函数。在通用阈值逻辑门的基础上，提出了三变量逻辑函数分解算法。通过此算法可以将三变量函数变换为多个阈值函数之或的形式，并用提出的三变量通用阈值逻辑门实现。与传统综合方法比较，通过新综合算法得到的电路网络深度更小，使用的门电路数目更少。对于多变量逻辑函数，可以采用现有工具将其变换为三变量逻辑函数表达式，然后采用本文设计的算法实现。模拟结果表明设计的三变量通用阈值逻辑门电路具有正确的逻辑功能。 本文分析了RTD器件在可编程逻辑电路设计中的优势，并提出了基于RTD的可编程逻辑门电路。此电路结构简单、实现电路功能丰富，且具有负权值输入和可变阈值。同时，设计了基于可编程RTD逻辑门的三层电路网络，及相应实现逻辑函数的综合算法。通过此网络和算法可以使用可编程RTD逻辑门实现任意n变量逻辑函数，且设计过程简便，得到的电路具有简单的结构、固定的电路级数和较少的元器件数目等特点。HSPICE模拟表明设计的RTD可编程逻辑门电路具有正确的逻辑功能。 全加器作为数字电路设计中的重要计算单元之一，其性能影响着系统的整体性能。同时，全加器也是一种通用逻辑单元，使用多个全加器电路可以实现任意逻辑函数。本文分析了一位全加器的函数表达式，提出了基于RTD器件的三模块全加器结构，并设计了多个模块电路。通过对于各个模块电路的不同组合，提出了4种全新的RTD一位全加器电路。同时基于新的RTD全加器电路设计了多位行波进位加法器。HSPICE仿真结果显示与已有电路比较，新设计的两款RTD全加器FA GG和FA GM具有较低的平均功率，特别是FA GG在一位RTD全加器比较中降低了15.7％-36.2％的功率；而在多位行波加法器比较中，FA GG构成的8位加法器的功率降低了5.5.％-13.1％。 将RTD应用于多值逻辑电路设计中，能够有效地改善二值电路目前遇到的诸如元件数目过多、连线多等问题。本文详细分析了多值逻辑RTD电路设计中的基本结构--多值单稳态-多稳态转换逻辑电路(MMLE)。根据MMLE不同的初始配置，首次提出了三种运算及相关性质。在此基础上，提出了三值RTD电路通用结构和三值逻辑电路设计方法。通过此结构和方法设计三值电路，具有设计过程方便，得到的电路结构简单等特点，且可以应用到二值函数的RTD电路设计中。 收起