Наноразмерный генератор импульсов

Изобретение относится к наноэлектронике и может быть использовано при создании интегральных схем различного назначения где требуется формирование однополярных сигналов прямоугольной формы для работы последующих логических схем с элементами нанометровых размеров. Техническим результатом является создание наноразмерного генератора для цифровых устройств с низким энергопотреблением, высоким быстродействием и с отсутствием гальванической связи между переключаемыми элементами. Для его достижения предложен наноразмерный генератор импульсов, характеризуемый наличием подключенных к источнику напряжения нечетного количества, но не менее трех, сверхпроводящих нанопроводов, содержащих резистивные участки и размещенных в пространстве так, что резистивный участок каждого предыдущего нанопровода расположен вблизи нагреваемого им участка следующего нанопровода, а резистивный участок последнего нанопровода расположен вблизи нагреваемого участка первого нанопровода. Нагреваемые участки сверхпроводящих нанопроводов выполнены суженными. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к наноэлектронике и может быть использовано при создании интегральных схем различного назначения где требуется формирование однополярных сигналов прямоугольной формы для работы последующих логических схем с элементами нанометровых размеров.

Уровень техники

Известен генератор частотно-модулированных прямоугольных импульсов, который содержит логический элемент 2И-НЕ, МОП-транзистор с каналом n-типа, генератор модулирующего напряжения, П-образный RC-фильтр, состоящий из конденсаторов и резистора, буферный логический элемент, состоящий из первого логического элемента НЕ и второго логического элемента НЕ (Патент RU 156008 U1). Первый вывод логического элемента 2И-НЕ подключен к потенциальному выходу +U_пит источника питания устройства, выход логического элемента 2И-НЕ соединен с входом буферного логического элемента, состоящего из первого логического элемента НЕ и второго логического элемента НЕ, при этом выход первого логического элемента НЕ соединен с входом второго логического элемента НЕ, выход второго логического элемента НЕ является выходом генератора частотно-модулированных прямоугольных импульсов, выход логического элемента 2И-НЕ соединен также с истоком МОП-транзистора с каналом n-типа, с первым выводом резистора и первым выводом конденсатора, второй вход логического элемента 2И-НЕ соединен со стоком МОП-транзистора, со вторым выводом резистора и первым выводом конденсатора, подложка МОП-транзистора, а также вторые выводы конденсаторов и соединены с общей шиной источника питания устройства, потенциальный выход генератора модулирующего напряжения присоединен к затвору МОП-транзистора. Недостатком известного устройства является то, что оно работоспособно лишь в том случае, когда в конструкции генератора используется только конкретная разновидность МОП транзисторов, а именно nМОП транзистор с индуцированным каналом и не пригоден для применения в нем рМОП транзисторов.

Указанный недостаток частично устраняется в конструкции устройства, описанного в патенте RU 168893 U1.

Это достигается тем, что введен МОП транзистор с индуцированным каналом р-типа, подложка рМОП транзистора соединена с потенциальным выводом источника питания генератора частотно-модулированных прямоугольных импульсов, выход логического элемента 2И-НЕ соединен с истоком рМОП транзистора, второй вход логического элемента 2И-НЕ соединен со стоком рМОП транзистора, потенциальный выход генератора модулирующего напряжения соединен с затвором рМОП транзистора, генератор модулирующего напряжения выполнен таким образом, что приложенное к затвору рМОП транзистора модулирующее напряжение генератора, изменяя величину сопротивления канала рМОП транзистора, порождает изменение времени прохождения сигнала с выхода логического элемента 2И-НЕ на его второй вход для частотной модуляции генерируемых прямоугольных импульсов.

Недостатком известного устройства является то, что вычислительные устройства на основе полупроводниковых структур характеризуются значительным энергопотреблением последних, что становится критичным в связи с созданием суперкомпьютеров, объединяющих большое число одновременно работающих процессоров. Кроме существенного энергопотребления, кремниевые процессоры также характеризуются ограничениями по тактовой частоте, что обусловлено достижением предельной величины подвижности носителей в канале транзисторов, определяемой физическими характеристиками материала.

Применение сверхпроводников для создания вычислительных устройств представляется весьма перспективным не только в связи с существенным уменьшением энергопотребления, но и с потенциально большими достижимыми частотами переключения.

Известен способ перевода сверхпроводника в электронных функциональных наноразмерных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное (патент RU 2674063). Перевод осуществляют путем его локального нагрева, а для нагрева используют тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводящего нанопровода, гальванически не связанного с подвергаемым воздействию и расположенного с наноразмерным зазором рядом с нагреваемым отрезком сверхпроводника с пропусканием через него тока, превышающего величину тока перехода сверхпроводника в нормальное состояние и обеспечивающего выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние. При этом соблюдают условие, что величина тока, пропускаемого по переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику, не превышает величины тока его возврата из нормального состояния в сверхпроводящее, определяемой по вольтамперной характеристике сверхпроводника, полученной без внешних воздействий на сверхпроводник. Предлагаемый способ может быть использован в создаваемых функциональных переключаемых электронных устройствах различного назначения.

Одно из возможных устройств, демонстрирующих возможности использования способа при создании наноразмерных элементов цифровой логики представлен в патенте RU 2674063 на фиг. . Устройство представляет собой параллельно размещенные нанопровода, как содержащие, так и не содержащие резистивные элементы. Известное устройство является наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности, поскольку базируется на общих принципах обеспечения функционирования без наличия гальванической связи между переключаемыми элементами.

Однако, известное устройство, в том виде, как оно представлено в патенте RU 2674063 не обеспечивает его возможность функционирования в режиме генератора.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является совершенствование цифровых устройств функционирующих в режиме генератора.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание наноразмерного генератора для цифровых устройств с низким энергопотреблением, высоким быстродействием и с отсутствием гальванической связи между переключаемыми элементами.

Для достижения технического результата предложен наноразмерный генератор импульсов, характеризуемый наличием подключенных к источнику напряжения нечетного количества, но не менее трех, сверхпроводящих нанопроводов, содержащих резистивные участки и размещенных в пространстве так, что резистивный участок каждого предыдущего нанопровода расположен вблизи нагреваемого им участка следующего нанопровода, а резистивный участок последнего нанопровода расположен вблизи нагреваемого участка первого нанопровода.

Кроме того, нагреваемые участки сверхпроводящих нанопроводов выполнены суженными.

Необходимость использования нечетного количества проводов, входящих в состав генератора, обусловлена тем обстоятельством, что принцип соседства двух проводов всегда реализует разные состояния с точки зрения состояния суженного участка сверхпроводящего провода: если в одном нанопроводе участок находится в сверхпроводящем состоянии, то в соседнем участке соответствующий участок находится в нормальном состоянии и наоборот. ри четном числе проводов, если последний нанопровод находится вблизи первого, состояние последнего нанопровода противоположно состоянию первого и система находится в устойчивом состоянии, т.е. отсутствует генерация. При нечетном числе проводов состояние последнего нанопровода совпадает с состоянием первого нанопровода, и, поскольку последний нанопровод находится вблизи первого нанопровода, состояние последнего нанопровода, противореча состоянию первого нанопровода, приводит к его переходу в другое состояние, что, в свою очередь, приводит к переходу второго нанопровода и т.д. по кругу, что вызывает генерацию в кольце, состоящем из нечетного числа нанопроводов. Другими словами, в состоянии генерации, при нечетном числе нанопроводов, постоянно происходит последовательная смена состояния каждого нанопровода. Поскольку из одного нанопровода нельзя сделать подобную структуру, минимальным числом нанопроводов для изготовления генератора, является три нанопровода.

В частности, если использовать для создания генератора три провода, то они должны быть расположены так, что резистивный участок первого нанопровода расположен вблизи нагреваемого им участка второго нанопровода, резистивный участок которого расположен вблизи нагреваемого им участка третьего нанопровода, а резистивный участок третьего нанопровода расположен вблизи нагреваемого им участка первого нанопровода. Соответственно, если число проводов увеличивается, то резистивный участок n-ного нанопровода будет расположен вблизи нагреваемого участка (n+1)-го нанопровода и т.д., а резистивный участок последнего нанопровода расположен вблизи нагреваемого участка первого нанопровода.

Предлагаемое взаимное расположение сверхпроводящих нанопроводов и выполненных в них резистивных участков позволяет обеспечить нагрев нужных областей устройства, необходимых для функционирования устройства. Подбор параметров резистивных участков нанопроводов позволяет обеспечить нагрев нужных областей устройства до необходимых температур и функционирование устройства. За счет всей совокупности признаков обеспечивается работа устройства в режиме генератора без гальванической связи между переключаемыми элементами.

Осуществление перевода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное путем его локального нагрева для достижения значения критической температуры (переход участка нанопровода осуществляется либо за счет прогрева всего сечения участка нанопровода до критической температуры, либо за счет прогрева только части сечения участка нанопровода до критической температуры, в последнем случае переход оставшегося (непрогретого) сечения в нормальное состояние происходит за счет превышения в нем плотности критического тока) позволяет работать с нано-размерными функциональными устройствами с большой плотностью элементов и исключить ложные (паразитные) срабатывания соседних элементов от тепловыделяющего элемента, управляющего требуемым сверхпроводящим нанопроводом так как минимальная мощность, необходимая для надежного управления, сильно зависит от величины зазора между тепловыделяющим элементом и управляемым сверхпроводящим нанопроводом.

Использование для нагрева тепловыделяющего элемента в виде сверхпроводящего нанопровода, гальванически не связанного с подвергаемым воздействию позволяет избежать необходимость электрического согласования управляющего и управляемых элементов, что особенно важно для многокаскадных функциональных элементов. Кроме того, это позволяет располагать тепловыделяющие элементы как в одном слое с управляемыми сверхпроводниками, так и в разных, что снижает проблемы, связанные с пространственным совмещением элементов, по сравнению со случаем, когда необходимо обеспечить гальваническую связь, а кроме того, облегчает создание многослойных устройств, содержащих активные функциональные элементы.

В частных случаях реализации целесообразно выполнять подвергаемые нагреву участки нанопроводов суженными. Это позволяет снизить энергопотребление устройства и повысить генерируемую частоту импульсов. Это обусловлено тем, что в суженных участках будет уменьшенное значение критического тока, поэтому именно они первыми переходят в нормальное состояние, а остальной нанопровод остается в сверхпроводящем состоянии и не потребляет энергии при протекании тока. И из-за малых размеров они переходят быстрее в нормальное состояние и их легче прогреть соседним резистивным участком.

Краткое описание чертежей

На фигуре представлена принципиальная схема наноразмерного генератора импульсов, где:

1 - первый нанопровод с резистивным участком (сопротивление R₁);

2 - нанопровод с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R₂);

3 - нанопровод с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R₃).

Осуществление изобретения

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером его реализации и графическим изображением. На чертеже представлено объемное изображение одного из возможных наиболее предпочтительных вариантов (с суженными нагреваемыми участками) реализации принципиальной схемы устройства, состоящего из трех нанопроводов.

Наноразмерный генератор импульсов в соответствии со схемой, показанной на фигуре, формируется на подложке, например, из кремния, покрытого слоем оксида кремния, или другого диэлектрического материала, например, сапфира. Топологию сверхпроводящих элементов формируют на подложке путем стандартного напыления тонкой сверхпроводящей пленки, например, нитрида ниобия, и последующего травления с применением масок, сформированных доступными методами литографии, например, фото- или электронной или наноимпринтлитографии. Резистивные области могут формироваться по известной технологии, например, в результате воздействия облучения на тонкопленочный нитрид ниобия для его перевода в металлическое состояние. После формирования первого слоя функционального устройства на него напыляется диэлектрический слой заданной толщины, например, из оксида алюминия или оксида кремния, на котором посредством выполнения операций, аналогичным операциям, указанным ранее, формируется второй слой функционального устройства. При необходимости, количество таких комплексов, образующих трехмерную многослойную структуру, может быть увеличено. Существенно, что при использовании такого способа управления, не требуется множественных вертикальных межсоединений между различными слоями, содержащими функциональные элементы, что существенно может облегчить изготовление многослойных (трехмерных) процессоров, содержащие активные элементы в различных слоях. Все нанопровода заявляемого наноразмерного генератора импульсов расположены в параллельных плоскостях. При этом они могут быть размещены с различным взаимным расположением в различных плоскостях, в зависимости от топологии цифровой схемы, в которой логический элемент используется, но с соблюдением условий, оговоренных в формуле изобретения.

Представленный на фигуре генератор состоит из нечетного числа, в данном случае трех, размещенных в двух параллельных плоскостях сверхпроводящих нанопроводов - первый нанопровод 1 с резистивным участком (сопротивление R₁), второй 2 с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R₂) и нанопровод 3 с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R₃).

Нанопровода 1, 2 и 3 подключаются к источнику напряжения. Нанопровода размещены в пространстве так, что что резистивный участок первого нанопровода расположен вблизи нагреваемого им участка второго нанопровода, резистивный участок которого расположен вблизи нагреваемого им участка третьего нанопровода, а резистивный участок третьего нанопровода расположен вблизи нагреваемого им участка первого нанопровода. Нагреваемые участки сверхпроводящих нанопроводов выполнены суженными. На представленной схеме (см. фигуру) нанопровод 2 и часть нанопровода 3 находятся в верхней плоскости, а нанопровод 1 и часть нанопровода 3 - в нижней.

Например, толщина нанопроводов составляет 5 нм, ширина 200 нм, в местах сужений ширина нанопровода составляет 100 нм. Суммарная длина каждого нанопровода 2000 нм, длина суженных участков 400 нм. Для формирования резистивных участков, сверху наносится слой электронного резиста ПММА толщиной 240 нм, в котором формируются окна над соответствующими участками нанопроводов, которые будут подвергаться воздействию корпускулярного излучения. (Технология преобразования участков нанопроводов из сверхпроводящих в нормальные известна. См. RU 2541679, RU 2645167, RU 2476373, RU 2477902.) В результате формируют резистивный элементы с номиналом несколько кОм.

Величины сопротивлений резистивных участков задают исходя из известного значения опорного напряжения, которое создает в сверхпроводящих проводах ток I_o, меньше тока возврата суженного участка из нормального состояния в сверхпроводящее для суженных участков нанопровода.

Наноразмерный генератор импульсов функционирует следующим образом. После того, как в сопротивлении R₁ возникает достаточный ток для прогрева и перехода в нормальное состояние суженного участка нанопровода 2 (переход суженного участка нанопровода 2 осуществляется либо за счет прогрева всего сечения суженного участка нанопровода 2 до критической температуры, либо за счет прогрева только части сечения суженного участка нанопровода 2 до критической температуры, в последнем случае переход оставшегося (непрогретого) сечения в нормальное состояние происходит за счет превышения в нем плотности критического тока), находящегося над ним, ток в сопротивлении R₂ падает и оно не прогревает суженный участок нанопровода 3 находящегося под ним, вследствие чего в сопротивлении R₃ реализуется большой ток для прогрева суженного участка нанопровода 2, находящегося под ним. Поскольку суженный участок нанопровода 1 под сопротивлением R₃ находится в цепи сопротивления R₁, ток в этой цепи падает и сопротивление R₁ перестает прогревать суженный участок над ним и он переходит в сверхпроводящее состояние. Это приводит к увеличению тока, проходящего через резистивный участок R₂ и суженный участок нанопровода 3 находящегося под ним нагревается и переходит в нормальное состояние. Начинается генерация. Выходной сигнал с генератора может быть снят бесконтактным образом с любого из сопротивлений R₁, R₂ или R₃ путем помещения выходного нанопровода, аналогичного используемым в генераторе, вблизи сопротивления R₁, R₂ или R₃. Выходной нанопровод аналогичен по структуре и свойствам нанопроводам 1, 2 или 3 и также подключается к источнику опорного напряжения.

Частота генерации определяется скоростью последовательного срабатывания трех бесконтактных резистивных участков R₁, R₂ и R₃, и будет зависеть от тока (напряжения), поскольку температура подогрева суженного участка зависит от величины тока, проходящего через соседний с ним резистивный участок. Величины токов, сопротивлений и напряжения выбираются исходя из условий, чтобы тока в одном состоянии было достаточно для прогрева резистором, а в другом состоянии - не было достаточно. Частота генерации, может зависеть от времени передачи нагрева между нагревателем и суженным участком, а также от суммарного числа таких актов передачи во всем генераторе. Изменение частоты генерации в некоторых пределах в уже изготовленном генераторе может быть реализовано за счет изменения величины опорного напряжения (в допустимых пределах функционирования каждого нанопровода) на одном или некоторых проводниках или же нанопроводники могут подключаться к разным источникам напряжения U.

1. Наноразмерный генератор импульсов, характеризуемый наличием подключенных к источнику напряжения нечетного количества, но не менее трех, сверхпроводящих нанопроводов, содержащих резистивные участки и размещенных в пространстве так, что резистивный участок каждого предыдущего нанопровода расположен вблизи нагреваемого им участка следующего нанопровода, а резистивный участок последнего нанопровода расположен вблизи нагреваемого участка первого нанопровода.

2. Наноразмерный генератор импульсов по п. 1, отличающийся тем, что нагреваемые участки сверхпроводящих нанопроводов выполнены суженными.