【摘 要】
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随着信息时代的发展,大数据应用、便携式电子设备、移动化智能系统已经渗透到人们生活的方方面面。其中使用的芯片尺寸也正日益减小,且对信息处理能力的要求也日益提高。然而,构成芯片的电子元器件的尺寸持续减小的过程中,相关研究和制造成本持续提升,摩尔定理的维持也愈发困难。对此,一些如新型纳米电子器件、新型逻辑计算方式、或者将二者相结合的优化方式被提出,来解决摩尔时代后期的芯片发展问题。而在这其中,多数逻辑由
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.61671259）； 浙江省自然科学基金（No.LY19F010005）；
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随着信息时代的发展,大数据应用、便携式电子设备、移动化智能系统已经渗透到人们生活的方方面面。其中使用的芯片尺寸也正日益减小,且对信息处理能力的要求也日益提高。然而,构成芯片的电子元器件的尺寸持续减小的过程中,相关研究和制造成本持续提升,摩尔定理的维持也愈发困难。对此,一些如新型纳米电子器件、新型逻辑计算方式、或者将二者相结合的优化方式被提出,来解决摩尔时代后期的芯片发展问题。而在这其中,多数逻辑由于对信息的压缩性、对传统的逻辑电路较强的化简能力,受到学者越来越多的关注。由多数逻辑和新型器件结合的优化思路,目前已有通过量子元胞自动机、单电子器件、纳磁逻辑器件等实现多数逻辑的相关研究,但这些器件多数存在难以投产、能耗较大、成本较高等问题,且对器件的建模和对电路的仿真都较为困难。而隧穿场效应晶体管（TFET）由于其小于60d B/dec的亚阈值摆幅和适应低电压低功耗的能力,在新型器件的领域中已经有较多的研究。本文对能够实现多数逻辑的三输入TFET器件构建SPICE仿真模型,选择多维查找表的方式,根据误差情况进行仿真模型的优化,实现对多数逻辑器件的电路仿真。电路的仿真结果表明,本设计的仿真模型表现出一定的准确性和快速性。在误差范围和仿真时间等方面均符合设计的目标。对于使用三输入TFET器件构建的基本逻辑电路,如与非、或非、异或等门电路,晶体管数量能够减少一半。由这些基础逻辑门组成的电路,功耗和延时等相关参数得到一定的提升。而使用多数逻辑器件实现的全加器,对电路的优化效果更为明显,达到实现高效的电路拓扑的目的。本研究成果可以为新型逻辑器件的研究提供一定思路和理论基础。本学位论文包括以下三个方面的研究内容:1、构建一种三输入TFET器件的SPICE仿真模型。通过对新器件建模方法的研究,针对三输入器件的原理和多输入带来的查找表模型数据指数型激增的情况,对较为普遍使用的二维模型进行改进。利用器件的对称性,建立子模型进行降维,以维持查找表模型快速性和准确性的特征。并通过测试电路仿真结果初步判断SPICE仿真模型的可行性。2、在验证模型可行性的基础上,对模型的准确性进行了验证,并分析了各个参数误差的原因。通过反相器和振荡环电路的仿真,初步测试器件动态性能,根据产生误差的不同情况分别选择局部精度优化和计算模型的方式进行仿真模型的改进和优化。3、研究了三输入TFET器件的电路设计方法,并使用提出的SPICE仿真模型对三输入TFET电路进行仿真验证。用三输入器件组成基本逻辑电路,对传统逻辑电路进行化简,并利用多数门实现复杂逻辑功能。将搭建的三输入TFET器件电路与传统单输入器件电路进行性能对比分析。
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