基于RTD和HEMT的D触发器设计

冯杰， 姚茂群

(杭州师范大学 国际服务工程学院， 浙江 杭州 311121)

基于RTD和HEMT的D触发器设计

冯杰， 姚茂群

(杭州师范大学 国际服务工程学院， 浙江 杭州 311121)

共振隧穿二极管(RTD)作为一种新的量子器件和纳米电子器件，具有负内阻、电路功耗低、工作频率高、双稳态和自锁等特性，可突破CMOS工艺尺寸的物理极限，在数字集成电路领域有更为广阔的发展空间. 针对RTD的特性，采用3个RTD串联的单双稳态转换逻辑单元(MOBILE)和类SR锁存器，设计了基于RTD和HEMT(高电子迁移率晶体管)的D触发器. 较于其他研究的D触发器，该D触发器能有效降低电路的器件数量和复杂度，且能抗S、R信号的延时差异干扰，具有更稳健的输出.

共振隧穿二极管；高电子迁移率晶体管；单双稳态转换逻辑单元；D触发器

0 引 言

随着数字集成电路的快速发展，传统CMOS工艺尺寸不断减小，电路的集成度越来越高，同时也出现了一些由功耗和互连线等带来的问题，如热耗散、短沟道效应、量子力学效应等[1-3].共振隧穿二极管(resonant tunneling devices，RTD)作为一种新的量子器件和纳米电子器件，可以突破传统CMOS设计工艺所面临的物理限制，且比CMOS器件拥有更优秀的特性.RTD具有负内阻、电路功耗低、工作频率高、双稳态和自锁等特点[4-5].

(1) 负内阻(negative differential resistance，NDR).RTD器件在随着电压从低电平到高电平变化的过程中，其电流从零开始增大；到达第1个波峰后，电流开始减小；到达第1个波谷后，电流继续增大.电流从波峰到波谷的这一段曲线表现为RTD的负内组特性，如图1所示.Vp为波峰电压，Ip为波峰电流，Vv为波谷电压，Iv为波谷电流.

图1 负内阻Fig.1 NDR

(2) 电路功耗低.RTD器件的负内阻特性，使得由其设计的电路在结构上更加简单，且RTD器件电路的工作电压低，一般在0.8 V左右，稳定时的工作电流也相对较低，一般为μA数量级.

(3) 工作频率高.由于RTD器件具有共振隧穿效应，这是一种高速变化的物理过程，所以一般RTD的工作频率都很高，且工作速度快.

(4) 双稳态和自锁.RTD器件的负内阻特性，使得由其组成的单双稳态转换逻辑单元(Mo nostable bistable transition logic element, MOBILE)具有双稳态和自锁特性，这相当于自身带了一个锁存器，非常有利于时序电路设计中器件数目的减少.

本文将RTD组成的MOBILE及三端器件作为输入分支，以设计D触发器.

1 单双稳态转换逻辑单元

MOBILE是基于RTD电路设计的一个重要逻辑单元，可由2个或更多个RTD串联而成.由2个或是更多个RTD串联的MOBILE，均具有类似的工作原理.以2个RTD串联的MOBILE为例，电路如图2(a)所示[6-9].在图2(a)中，上面的RTD为负载管，下面的RTD 为驱动管，时钟信号Vclk为偏置电压.当Vclk较低时，负载管和驱动管工作在第1个正阻区，此时电流电压特性曲线如图2(b)所示，电路稳定于S0点，处于单稳态；y输出为低电平.当Vclk继续增大，超过2倍的RTD波峰电压时，电路将出现2个稳定状态S1、S2，如图2(c)所示；具体处于哪个稳定状态由负载管和驱动管中波峰电流较小的决定.当负载管的波峰电流较小时，负载管先进入负阻区，呈现较大的阻抗，电路处于S1稳定状态，y输出低电平；反之，当驱动管的波峰电流较小时，电路处于S2稳定状态，y输出高电平；即MOBILE具有双稳态特性.由于当RTD的电流密度一定时，其波峰电流和波谷电流与面积成正比，可通过改变RTD的面积来获得需要的输出.当Vclk保持高电平时，y输出将保持不变；即MOBILE具有自锁特性.

(a) MOBILE

(b) 单稳态

(c) 双稳态图2 MOBILE特性分析Fig.2 Characteristic analysis of MOBILE

由于RTD是一个二端器件，为了能有效控制MOBILE的输出，通常需要加入高速的三端器件作为输入分支[10-12].在时序电路设计中，常用高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor, HEMT)[13].通过HEMT与负载管或驱动管直接并联，以控制相应管子并联区域的波峰电流大小.图3所示的是一个反相器，其中x为HEMT的栅极输入端.在图3中，HEMT控制驱动管并联区域的波峰电流大小；且当x输入低电平时，驱动管并联区域的波峰电流比负载管小，电路y输出高电平；当x输入高电平时，驱动管并联区域的波峰电流比负载管大，电路y输出低电平.

图3 反相器Fig.3 Inverter

2 D触发器设计

MOBILE的双稳态和自锁特性，在设计时序电路时，能使电路结构变得简单.当偏置电压Vclk上升时，电路输出有效电平，且Vclk保持高电平时，电路输出保持不变.但是当Vclk为低电平时，电路输出也变为低电平.为了使Vclk在低电平时，电路输出保持不变，就需要通过另外的锁存器电路进行弥补.图4(a)为文献[14]中提出的一种D触发器.

该D触发器电路由电路G1、G2、G3三部分组成，输入端D、DB(D的反相信号)，输出端Q，时钟信号Vclk，高电平信号Vdd.电路G1、G2都是反相器，电路G3是SR锁存器，SR锁存器原理如图4(b)所示.图中实线表示S、R输入低电平时，负载管并联区域和驱动管并联区域的电流电压特性曲线；虚线表示S、R输入高电平时，负载管并联区域和驱动管并联区域的电流电压特性曲线.由于电路G1、G2只能组合输出3种状态10、01、00，故整个电路实现了D触发器功能.

上述D触发器中有2个缺陷： (1) S、R信号是通过2个反相器得到的，且DB信号需要通过额外的电路提供，这些都会增加D触发器电路的复杂度；(2) D和DB信号的不匹配或2个反相器输出延时差异都会导致输出错误的S、R信号.本文提出的D触发器如图5所示，能有效解决上述2个缺陷，且具有良好的功耗、D-Q的上升延时和下降延时.

(a) 文献[14]提出的一种D触发器

(b) SR锁存器特性曲线图4 文献[14]中的D触发器分析Fig.4 D flip-flop analysis in [14]

图5 本文提出的D触发器Fig.5 The D flip-flop proposed in this paper

图5中，整个电路只由G1、G2两部分电路组成.电路G1由3个RTD串联而成的MOBILE及1个HEMT组成.当时钟电压Vclk从低电平变化到高电平，且D输入低电平时，RTD1、RTD2和RTD3并联区域的波峰电流满足：IPRTD1>IPRTD2>IPRTD3-Parallel.此时，RTD3并联区域从第1正阻区进入负阻区，呈现高阻状态，RTD1和RTD2仍然工作在第1正阻区，呈现低阻状态，y1、y2输出高电平.当时钟电压Vclk从低电平变化到高电平，D输入高电平时，由于HEMT1控制RTD3并联区域的波峰电流，此时RTD1、RTD2、RTD3的波峰电流满足：IPRTD1>IPRTD3-Parallel>IPRTD2，RTD2从第1正阻区进入到负阻区，呈现高阻状态，RTD1和RTD3仍然工作在第1正阻区，呈现低阻状态，y1输出高电平、y2输出低电平，如表1所示.

表1 G1的真值表

Table 1 Truth table of G1

电路G2是一个类SR锁存器，HEMT2控制RTD4并联区域的波峰电流，HEMT3控制RTD5并联区域的波峰电流，工作原理如图6所示.

图6 类SR锁存器的特性曲线Fig.6 Characteristic curve of similar SR latch

表2 G2的真值表

Table 2 Truth table of G2

表3 D触发器的真值表

Table 3 Truth table of D flip-flop

3 HSPICE仿真及分析

对所设计的D触发器进行HSPICE仿真，RTD采用文献[15]中介绍的模型，其中RTD波峰电压为0.28 V，RTD波峰电流密度为9 kA·cm-2，每μm2的电容为4 fF，HEMT采用增强型和耗尽型晶体管，阈值电压分别为0.4 V和-0.1 V.仿真结果如图7所示.

图7 D触发器的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of D flip-flop

其中，工作电压Vdd和时钟电压Vclk幅值均为0.8 V，Vclk频率为1 GHz，输入D，输出Q.从仿真波形中可以看出，所设计的D触发器逻辑功能正确，且为时钟上升沿触发.

图8 2种D触发器的仿真波形Fig.8 Simulation waveform of two D flip-flops

由于文献[14]中的D和DB信号，在实际电路中经过各自相连的反相器到达S、R端，可能存在输出延时差异.为了更好地比较所设计的D触发器和文献[14]中D触发器的输出稳健性，假设DB相对于D延迟0.02 ns输入，图8为两者的仿真波形.其中，Q1为文献[14]中的D触发器输出，Q2为本文D触发器输出.从图8中可以看出，D在1.05 ns发生电平翻转，而DB在1.07 ns发生电平翻转，导致当时钟Vclk在1 ns跳变到高电平时，Q1未能跟随D信号电平输出高电平.而本文设计的D触发器则不会出现这种错误，当时钟Vclk在1 ns跳变时，Q2能跟随D信号电平输出正确的高电平.

表4为上述2种类型D触发器的性能比较.触发器延时值均在Q输出端接100 fF电容下测得，并取D-Q上升延时和下降延时的最大值；电路功耗均在输入数据率α=20%时测得.由表4可知，所设计的D触发器与文献[14]的D触发器两者在D-Q延时和电路功耗上相差不大，但本文设计的D触发器在RTD和HEMT器件数量上各减少了1个.

表4 2种D触发器的性能比较

Table 4 Performance comparison of two D flip-flops

通过上述2种D触发器的仿真及分析可以看出，所设计的D触发器与文献[14]的D触发器在电路功耗和触发器D-Q延时上相差不大，但本文的D触发器设计所用的RTD和HEMT数都少了1个，且不用额外的电路提供DB信号，能更好地降低电路的额外开销；也不会因为S、R信号的延时差异出现错误输出，其输出更稳健.

4 总 结

RTD器件作为一种新型量子器件和纳米电子器件，具有的各项优秀特性使其在时序电路设计上具有比CMOS电路更加明显的优势.当RTD器件组成MOBILE时，其各项特性均能得到很好的表现.因此，时序电路的设计亦围绕MOBILE展开.文中所设计的D触发器采用3个串联RTD的MOBILE来提供S、R信号，并设计了类SR锁存器，使得在时钟电压为低电平时输出电压保持不变.相较于以往的设计，该D触发器具有更稳健的输出，且电路结构和设计方法更简单.

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FENG Jie, YAO Maoqun

(HangzhouInstituteofServiceEngineering,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou311121,China)

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The resonant tunneling diode (RTD) as a new quantum device and nano-electronic device, has many attributes, including negative resistance, low power consumption, high frequency, bistability and self-latching. It can be used to break through the physical limits of CMOS process size, and also has a broader space for the development of digital integrated circuit. According to the characteristics of the RTD, a D flip-flop is designed based on RTD and HEMT(high electron mobility transistor). The D flip-flop uses the monostable-bistable transition logic element (MOBILE) with three RTDs in series and the similar SR-latch. Compared with the D flip-flop in other studies, the designed D flip-flop can effectively reduce the device number and complexity of the circuit.What is more, it also can eliminate the interference of delay difference between the signals of S and R with a more robust output.

RTD; HEMT; MOBILE; D flip-flop

2016-04-13.

浙江省自然科学基金资助项目(LY15F010011)；国家自然科学基金资助项目(61771179，61471314，61271124).

冯杰(1991—)，ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7726-1944，男，硕士生，主要从事数字集成电路研究.

*通信作者，ORCID: http://orcid.org/0000-0001-6484-4972，E-mail：yaomaoqun@163.com.

10.3785/j.issn.1008-9497.2017.06.011

TN 432

A

1008-9497(2017)06-718-06