In den letzten Jahrzehnten basierten praktisch alle elektronischen Geräte auf dem CMOS-Logiksystem, das Halbleiter und Transistoren zur Bildung digitaler Schaltungen verwendet. Heutzutage untersuchen Forscher jedoch die Verwendung neuartiger Materialien und Technologien, um überlegene Schaltkreise zu schaffen, die zu kleineren, schnelleren und intelligenteren Computern, Mobiltelefonen und anderen Geräten führen würden.

Kürzlich haben die Wissenschaftler Wancheng Zhang, Nan-Jian Wu und Fuhua Yang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking Logikgatter entworfen - eine grundlegende Komponente digitaler Schaltkreise -, die die Quantisierung von elektrischem Strom zur Durchführung von Operationen verwenden. Die jüngste Entwicklung von zwei einzigartigen Nanogeräten hat es Wissenschaftlern ermöglicht, den Fluss einzelner Elektronen zu steuern, und dem Team ermöglicht, neuartige universelle Logikgatter vorzuschlagen, die kompakter sind als herkömmliche Logikgatter.

"Wenn Forscher über zukünftige digitale Schaltkreise mit Nanogeräten sprechen, konzentrieren sie sich normalerweise auf ihre potenziell hohe Dichte und schnelle Geschwindigkeit", sagte Zhang gegenüber PhysOrg.com . „Die größte Bedeutung dieser Arbeit ist, dass wir zeigen, dass mit den einzigartigen Funktionsprinzipien neuartiger Nanogeräte intelligentere Logikschaltungen mit sehr kompakten Strukturen implementiert werden können. Zukünftige nano-basierte Schaltungen können daher Vorteile sowohl in der Größe als auch in der Schaltungsstruktur haben. “

In ihrer in Nanotechnology veröffentlichten Studie schlugen die Forscher zwei verschiedene Entwürfe für den Bau von „periodischen Schwellenwert-Logikgattern“ (PTTGs) vor.

Bei der ersten Methode schlugen die Forscher vor, einen Elektronenwellenleiter zu verwenden, der im Wesentlichen ein eindimensionaler Kanal ist, um die Wellennatur des Elektrons auszunutzen. Da der Kanal schmaler als ein einzelnes Elektron ist, kann sich eine Elektronenwelle in einer diskreten Anzahl von Moden ohne Streuung durch den Kanal bewegen. Durch Verwenden von zwei dieser Elektronenwellenleiter und Kombinieren ihrer Stromwerte könnte das Logikgatter einen Ausgang haben, der aus den kombinierten Eingangsströmen besteht.

Bei der zweiten Methode schlugen die Wissenschaftler eine PTTG mit einem Einelektronendrehkreuz vor, einem Gerät, das die Anzahl der übertragenen Elektronen mithilfe eines Quanteneffekts namens Coulomb-Blockade-Effekt genau steuern kann. Dieser Effekt, der nur in einem winzigen Bereich von der Größe eines einzelnen Elektronenteilchens auftritt, stellt sicher, dass die Anzahl der vom Drehkreuz übertragenen Elektronen eine quantisierte Funktion seiner Spannung ist. Durch die Steuerung der Spannung konnten die Forscher theoretisch die Anzahl der eingefangenen Elektronen bestimmen und mithilfe von zwei Einelektronendrehkreuzen Elektronen an einen Speicherknoten übertragen, wobei die Elektronendifferenz zwischen den beiden Drehkreuzen das Ausgangssignal bestimmt.

Dann schlugen die Forscher vor, wie PTTGs, die auf eine dieser beiden Arten hergestellt wurden, verwendet werden könnten, um universelle Logikgatter zu erstellen. Aufgrund der flexiblen Quantisierungseigenschaften der Stromquantisierungsvorrichtungen könnte ein einzelnes PTTG nahezu alle 256 Booleschen Funktionen mit drei Eingängen implementieren (die häufigste Rechenmethode in der digitalen Elektronik). Außerdem könnten zwei PTTGs zusammen alle 65.536 Booleschen Funktionen mit vier Eingängen implementieren.

„Die quantisierten Strombauelemente verfügen über mehrere Quantisierungszustände, mit denen diskrete Logikzustände dargestellt werden können“, erklärte Zhang, „während herkömmliche CMOS-Transistoren nur zwei Logikzustände aufweisen: Ein und Aus. Aus diesem Grund kann das quantisierte Stromelement komplizierte und kompakte Logikgatter mit periodischen Schwellenwerten ermöglichen. “

Die Forscher erklärten auch, dass die gegenwärtig quantisierten Logikgatter gegenüber herkömmlichen Logikgattern mehrere Vorteile haben könnten. Zum einen haben sie sowohl eine einfache als auch eine universellere Schaltungsstruktur. Im Vergleich zu den 40 Transistoren, die ein herkömmliches Logikgatter mit drei Eingängen benötigt, würde ein PTTG nur 10 äquivalente Bauelemente benötigen. Ferner haben beide stromquantisierten Logikgatter sehr kleine Größen, was das Potenzial für Schaltungen mit hoher Dichte bietet. Schließlich können die neuen Logikgatter aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Widerstands auch einen signifikanten Geschwindigkeitsvorteil haben.

"Der Schlüssel zum Erreichen quantisierter aktueller Geräte liegt in der kleinen Gerätegeometrie", sagte Zhang. „Sowohl der ballistische Elektronentransport in Elektronenwellenleitern als auch der Coulomb-Blockade-Effekt im Einelektronendrehkreuz erfordern eine kleine Bauteilgeometrie, um die Wärmeenergie zu überwinden. Mit den jüngsten Fortschritten in der Herstellung sind Operationen des Elektronenwellenleiters und des Einelektronendrehkreuzes bei Raumtemperatur möglich. “

Weitere Informationen: Zhang, Wancheng, Wu, Nan-Jian und Yang, Fuhua. „Kompakte universelle Logikgatter, die mithilfe der Quantisierung von Strom in Nanogeräten realisiert wurden.“ Nanotechnology 18 (2007) 495201 (8 Seiten pro Minute).

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