Молекулярная электроника: от устройств и соединений до схем и архитектуры, страница 6

Мы классифицируем основные подходы моделирования как модели, основанные на физике, на компонентах и эмпирические модели. Предыдущая работа над неклассическими моделями устройства для моделирования SPICE включает модели для ДТУ [22], [28] и одноэлектронные транзисторы (SET) [23]. Модели ДТУ упомянутые выше выдвигают две крайности для подходов моделирования и выполнения. Баттачария и Мазумба [22] создали ДТУ, основанный на физике, используя компактные уравнения ДТУ, представленные в [29]. Эта собранная модель была добавлена к открытому симулятору SPICE Беркли. Преимущества этой модели [22] включают быстрое и надежное моделирование, так как она собрана с использованием симулятора и содержит главные уравнения, основанные на физических параметрах.

Рис. 2. Двухтерминальный UDM с параметризированными входами для множества основных характеристик (емкость, сопротивление, термоэлектронная эмиссия, ОДС, и блокада Кулона).

Однако, нижние стороны включают трудное выполнение и уменьшаемую гибкость модели. С другой стороны, Ян и Дир [28] представляют эмпирическую интерпретационную модель, добавленную к PSPICE. В то время как эта модель обеспечивает легкое выполнение, которое увеличивает гибкость, она подвергается увеличенному времени моделирования, потому что она должна интерпретироваться. Кроме того, эмпирическая природа модели теряет любую связь с основной физической структурой устройства. "Макромодель" SET, представленная в [23], соответствует тому, что мы называем подходом основанным на компоненте, так как полная модель построена из многочисленных компонентов с простым поведением.

В то время как предыдущие решения для наноэлектроники продемонстрировали много вариантов в моделировании устройств, разнообразие появления наноустройств без компактных физических моделей требует надежной методологии моделирования, способной к развитию моделей автоматизированным способом. Основываясь на фундаментальных классических и квантовых явлениях в наноустройствах, мы предложили общую универсальную модель устройства (UDM) для устройств с двумя терминалами [30], который охватывает поведение устройства таким образом, что создание схем и моделирование становятся возможными на нано уровне. Наши понятия для UDM используют эмпирические уравнения, которые описывают каждый фундаментальный квантовый и классический эффект, который может относиться к электронному устройству. Так как цель этой модели состоит в том, чтобы продвинуть проект и моделирование схем, содержащих наноустройства, основные эффекты представлены при помощи характеристик зависимости тока от напряжения (I-V). Свойства, недавно включенные в модель, являются сопротивлением, термоэлектронной эмиссией (подобное диоду поведение), резонансное туннелирование (ДТУ-подобное поведение), эффекты блокады Кулона (SET-подобное поведение). Дифференциальные резисторы последовательно с каждым из четырех параллельных эффектов также включены в отбражение несовершенной модели и линейные наклоны в кривой I–V.

Рис. 3. Общая зависимость I–V ДТУ как комбинация туннелирования вместе с термоэлектронным эффектом. Область положительного дифференциального сопротивления (ПДС) располагается за областью ОДС с экспоненциальным увеличением лежащего в основе тока базы.

С помощью различных частей определения UDM поток может быть получен из комбинации всех содействующих явлений [30], как представлено на рис. 2. Есть четыре "основных" функции представляющих отдельное физическое явление, они составляют полную dc модель, которая обычно является комбинацией таких многократных явлений (например, ТД на рис. 3 сформирован комбинированием туннелирования и термоэлектронных функций, в то время как блокада Кулона на рис. 4 использует еденичную функцию). В дополнение к параметрам отдельной индивидуальной функции, каждому явлению даются веса для управления величиной сигнала, позволяя UDM эмулировать почти любое двухтерминальное устройство. Последнее уравнение, включающее все способствующие факторы и их соответствующие веса представлено в (1).