Cải thiện hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên trong cổng đảo đơn điện tử

Trong bài viết này, hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên được áp dụng cho cổng đảo đơn điện tử hoạt động ở nhiệt độ phòng (300 K). Hệ số tương quan CC giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra được sử dụng để phân tích hiệu quả của việc áp dụng hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cải thiện hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên trong cổng đảo đơn điện tửNghiên cứu khoa học công nghệ CẢI THIỆN HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG NGẪU NHIÊN TRONG CỔNG ĐẢO ĐƠN ĐIỆN TỬ Trần Thị Thu Hương*, Lương Duy Mạnh, Nguyễn Huy Hoàng Tóm tắt: Các linh kiện đơn điện tử với hai ưu điểm nổi bật là kích thước siêu nhỏ (cỡ nm) và tiêu thụ công suất cực kỳ thấp hứa hẹn cho việc ứng dụng vào các mạch tích hợp trong tương lai. Trong bài báo này, hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên được áp dụng cho cổng đảo đơn điện tử hoạt động ở nhiệt độ phòng (300 K). Hệ số tương quan CC giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra được sử dụng để phân tích hiệu quả của việc áp dụng hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng tại 300K mối quan hệ giữa CC và mức tạp âm vào có dạng một đường cong cộng hưởng. Bằng cách cải tiến cấu trúc của cổng đảo đơn điện tử sao cho đặc tính vào-ra có trễ tại 300 K, sự cải thiện về CC đạt được trên một dải rộng của các mức tạp âm.Từ khóa: Linh kiện đơn điện tử; Hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên; Cổng đảo đơn điện tử. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các linh kiện đơn điện tử (SE: single-electron) với hai ưu điểm quan trọng là kíchthước siêu nhỏ và tiêu thụ công suất cực kỳ thấp đóng vai trò then chốt trong sự phát triểncủa các mạch tích hợp [1]. Đối với hầu hết các ứng dụng thực tiễn, một trong các yêu cầucần thiết là khả năng hoạt động của mạch tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, nhiệt độ làm việccao có thể làm cho năng lượng nhiệt k BT ( k B là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệtđối) vượt qua năng lượng điện tích Ec , dẫn đến suy giảm các hiệu ứng đơn điện tử [2]. Sựxuất hiện của các sự kiện xuyên hầm ngẫu nhiên do cảm ứng nhiệt gây ảnh hưởng đáng kểtới hoạt động của các mạch số đơn điện tử. Cổng đảo SE là một linh kiện logic cơ bản dùng cho thiết kế các mạch số [3]. Hiệntượng cộng hưởng ngẫu nhiên (SR: stochastic resonance) có thể cải thiện phản ứng củamột hệ thống phi tuyến đối với một tín hiệu đầu vào (có chu kỳ và mức tín hiệu yếu) khithêm một mức tạp âm thích hợp tới đầu vào [4÷6]. Phân tích hiện tượng SR trong cổngđảo SE là cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm tác động tới các mạch logic. Trong mộtbài báo đã công bố của chúng tôi, hiện tượng SR trong cổng đảo SE đã được cải thiệnbằng cách thiết kế cổng đảo có đặc tính vào-ra trễ tại 0 K. Nghiên cứu này đã loại bỏ cácảnh hưởng do nhiệt trong thiết kế và đánh giá [7]. Trong bài báo này, chúng tôi cải tiến cấu trúc của cổng đảo SE để có đặc tính vào-ratrễ tại nhiệt độ phòng (300 K) và kiểm tra xem hiện tượng SR có được cải thiện haykhông. Hệ số tương quan CC (correlation coefficient) giữa các tín hiệu vào và ra được sửdụng để đánh giá hiệu quả của việc áp dụng hiện tượng SR. Các tín hiệu miền thời giankhi mức tạp âm vào đạt tối ưu được minh họa để chứng minh hiệu quả hoạt động của cổngđảo SE đã cải tiến. 2. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG NGẪU NHIÊN TRONG CỔNG ĐẢO ĐƠN ĐIỆN TỬ 2.1. Cổng đảo đơn điện tử Chúng tôi phân tích một cấu trúc phổ biến của cổng đảo SE như được chỉ ra trong hình1(a) [3]. Cổng đảo SE được tạo bởi bốn chuyển tiếp ( J1 , J 2 , J 3 , và J 4 ) mắc nối tiếpgiữa nguồn điện áp U S và đất, hai tụ điện cực cửa ( CG ), hai tụ điện định thiên ( CB ), vàTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 3 Kỹ thuật điều khiển & Điện tửmột tụ điện đầu ra ( Cra ). J1 và J 4 có các tham số giống nhau C1 và R1 , trong khi J 2 vàJ 3 có các tham số giống nhau C2 và R2 . Các mối quan hệ giữa các tham số của cổng đảoSE là như sau: C2  2C1 , CG  8C1 , CB  7C1 , C *  C1  C2  CG  CB , vàU S  1.5e / 2C * [3]. Các tham số dùng trong mô phỏng được giả thiết là: C1  0.001 aF,R1  100 kΩ, C2  0.002 aF, R1  50 kΩ, CG  0.008 aF, CB  0.007 aF, Cra  1.00aF, và U S  6.70 V. Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng bằng cách sử dụng chươngtrình mô phỏng SIMON với điều kiện không có các quá trình xuyên hầm đồng thời [8].Hình 1(b) minh họa đặc tính vào-ra của cổng đảo SE tại 300 K. Điện áp ra U ra khi điện ápvào U vao tăng từ 0 tới điện áp nguồn U S và U ra khi U vao giảm từ U S xuống 0 lần lượtđược biểu diễn bởi đường nét đứt và đường chấm chấm. Từ hình vẽ cho thấy đặc tính vào-ra của cổng đảo SE không có trễ. US CG J1 CB 7 6 Uvao tăng Điện áp ra, Ura (V) J2 ...