Only Perception: 未來電子學：使用量子化電流驅動的奈米裝置

2007-11-28

未來電子學：使用量子化電流驅動的奈米裝置

Nanodevices could use quantized current to operate future electronics
http://www.physorg.com/news115288850.html

By Lisa Zyga / November 26, 2007

在過去數十年來，差不多所有的電子裝置都基於 CMOS 邏輯系統，那使用半導體與電晶體來形成數位電路。然而，今日的研究者正研究利用新穎的材料與技術來創造更好的電路，那能導致更小、更快與更聰明的電腦、手機與其他裝置產生。

最近，來自於中國北京中國科學院的科學家 Wancheng Zhang, Nan-Jian Wu, 與 Fuhua Yang 設計一種邏輯閘 -- 一種基本的數位迴路 -- 那使用量子化的電流來進行運作。最近二種獨特奈米裝置的開發讓科學家能控制個別電子的流動，讓該團隊能提出新穎的、通用的（universal）邏輯閘，那比傳統邏輯閘更加密實。

"當談起未來使用奈米裝置的數位電路時，研究者通常聚焦在它們潛在的高密度與快速，" Zhang 表示。"這項研究最重要的地方在於，我們證實新穎奈米裝置獨特的運作原理能用來實作更聰明的邏輯電路，具有非常密實的結構。因此，未來基於奈米的電路能在尺寸與電路結構上同時具備優勢。"

在他們發表於 Nanotechnology 的研究中，研究者提出二種不銅類型的設計，以打造週期閾值閾值邏輯閘（periodic-threshold threshold logic gates，PTTGs）。"

在第一種方法中，研究者提議使用一種電子波導 -- 基本上是一種一維通道 -- 來利用電子波的本質。因為這個通道比單一電子還要窄，電子波能穿越這個通道而不會散射，呈現出一種離散數值模式。藉由利用二個電子波導，並與它們當前的值（current values）結合，這個邏輯閘能有由輸入電流結合而成的輸出。

在第二種方法中，科學家提議一個利用單一電子十字轉門（turnstile）的 PTTG。十字轉門能利用一種量子效應，稱為庫倫堵塞效應（Coulomb Blockade）精確控制已傳送電子的數量。這種效應，只存在於單一電子粒子大小的極小區域中，確保被十字轉門傳送的電子數量，是其電壓的量子化函數（a quantized function of its voltage）。藉由控制電壓，研究者理論上能夠決定被捕獲電子的數量，並使用二個單一電子十字轉門將電子傳送到一個貯存節點，以這二個十字轉門之間的電子差異來決定輸出訊號。

接著，研究者提出以這二種方式製造的 PTTG 如何能用來創造通用的邏輯閘。因為電流量子化裝置有彈性的量子化特性，單一一個 PTTG 能夠實做出近乎 256 種三輸入布林函數。（數位電子學中最常使用的運算方式。）而二個 PTTG 放在一起能夠實作出所有 65536 種四輸入布林函數。

"量子化電流裝置擁有數種量子化狀態，能用來離散的邏輯狀態，" Zhang 解釋，"而傳統 CMOS 電晶只有二種邏輯態：開與關。這就是為何量子化電流裝置使得複雜且密實的 PTTGs 成為可能。"

研究者亦解釋電流量子化之邏輯閘較傳統邏輯閘多了幾項優勢。其中一個是它們擁有簡單與更通用的電路結構。傳統三輸入邏輯閘需要 40 個電晶體，相較之下，一個 PTTG 只需要 10 個等同裝置。此外，二個電流量子化邏輯閘的尺寸很小，因此擁有高密度迴路的潛力。最後，因為它們的尺寸較小、電阻較低，新的邏輯閘也能擁有顯著的速度優勢。

"達成量子化電流裝置的關鍵是小型裝置幾何學，" Zhang 說。"在電子波導的電子彈道傳輸與單一電子十字轉門中的庫倫堵塞效應中需要小型裝置幾何學來克服熱能。由於最近製造組裝的進步，電子波導與單一電子十字轉門的室溫操作是可能的。"

※ 相關報導：

＊ Compact universal logic gates realized using quantization of current in nanodevices
http://www.iop.org/EJ/abstract/0957-4484/18/49/495201