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单电子电路和单电子晶体管与MOSFET混合电路的设计及模拟

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第一章绪论

1.1纳米隧道结与单电子逻辑电路

1.2纳米隧道结的电子隧穿

1.2.1电压偏置和电流偏置的纳米隧道结

1.2.2纳米隧道结的隧穿率

1.2.3双纳米隧道结

1.3单电子晶体管的数字逻辑电路应用

1.3.1单电子神经元电路

1.3.2单电子择多逻辑电路

1.3.3异步单电子模/数转换器

第二章蒙特卡罗法单电子器件与电路模拟程序(SJTU-MCSEDCSP2.0)

2.1程序简介

2.2算法分析

2.2.1快速电容计算模块算法

2.2.2蒙特卡罗方法

2.2.3蒙特卡罗单电子模拟程序中的动态内存管理

2.3应用示例

2.3.1球形电容计算示例

2.3.2 9 X9二维单电子纳米隧道结阵列模拟

第三章植入单电子晶体管模块的SPICE模拟器(SJTU-SE-SPICE2.0)

3.1程序简介

3.2单电子晶体管的主方程模型

3.3单电子晶体管模型的SPICE实现

3.4单电子晶体管模型的添加过程分析

第四章单电子器件与通用电路混合设计实例

4.1神经网络单电子数/模转换电路

4.2混合SET-CMOS数模转换电路

4.2.1电路结构

4.2.2电路分析与仿真

第五章结论

参考文献

致谢

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摘要

本论文首先概述了单电子器件的理论背景、纳米隧道结的隧穿机制和隧穿率;描述了一些典型的新型单电子逻辑电路,如单电子神经元电路,单电子择多逻辑电路,异步单电子数/模转换器的设计原理。然后论述了本文作者在SJTU—MCSEDCSP1.0(上海交通大学蒙特卡罗法单电子器件和电路模拟程序1.0)基础上研究与开发的上海交通大学蒙特卡罗法单电子器件和电路模拟程序2.0(SJTU—MCSEDCSP2.0)。与1.0版本相比,SJTU—MCSEDCSP2.0添加了电容计算模块,使研究人员能直接计算电容,改进了内存管理算法,大大提高了可计算电路的规模。利用该程序,对两个实例进行了模拟。第一个实例利用电容计算模块研究了球状电容系统的电容计算,并与经典计算公式进行了对比。第二个实例模拟了9X9二维阵列的直流瞬态特性。随后论述了本文作者在SJTU—SE—SPICE1.0(上海交通大学单电子和通用电路混合模拟程序1.0)基础上开发的上海交通大学单电子和通用电路混合模拟程序2.0(SJTU—SE—SPICE2.0)。与1.0版本相比,SJTU—SE—SPICE2.0对程序结构作了较大的修改,将原来包含在MOS器件内部的单电子器件分离出来,作为一个与MOS器件模块并列的独立的器件模块。对SJTU—SE—SPICE2.0中的单电子晶体管(SET)模型作了详细的描述,并讨论了如何将SET模型作为一个独立的器件模块添加到SPICE中去。最后,研究了两个实例:神经网络单电子数/模转换电路和混合SET—CMOS数/模转换电路。在神经网络数/模转换电路中推导了利用神经网络SET构造数/模转换电路的电路方程,分析了一个3位数/模转换电路的特性。在混合SET—CMOS数/模转换电路中利用单电子反向器构造开关电路,提出了一种新型数膜转换电路,分析了一个12位数/模转换电路的特性。

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