Μεθοδολογία σχεδιασμού και προσομοίωσης νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων

Abstract

An era, characterized by an explosive increase in electronics technology applications, unavoidably leads to a rapid approach of its limits. The unimpeded development of integrated circuit technology will inevitably lead, sooner or later, to the doorstep of atomic dimensions. The main efforts during the last decade aim at a smooth transition to a new technology called nanotechnology. The materials and structures developed and used in nanotechnology will generate new fabrication techniques and will reform the industrial mass-production. Nanoelectronics is a branch of nanotechnology, which poses serious challenges, as a successor of the microelectronics technology, and will serve as a means of satisfying the need for greater circuit densities, lower power consumption and increased speed. In this Ph.D. thesis, the behavior of new nanoelectronic devices and circuits, which may replace current CMOS circuits, is analyzed. A methodology for the design, simulation and study of nanoelectronic circuits is developed for the first time. This methodology is incorporated in a fully developed tool for the design and simulation of nanoelectronic circuits. This tool has been extensively and thoroughly tested on a number of nanoelectronic circuits, and the results have been compared with those provided by other simulation tools, as well as with the theoretically predicted circuit behavior. Furthermore, new nanoelectronic circuits are designed and simulated using this tool. The design and simulation tool developed during the course of this Ph.D. research, is realistic, easy to use and provides full access to the simulation data. These characteristics make it a powerful tool for research on nanoelectronic single electron circuits.

Μια εποχή, που χαρακτηρίζεται από τη ραγδαία αύξηση των εφαρμογών της ηλεκτρονικής τεχνολογίας, δε θα μπορούσε παρά να οδηγήσει σε μια αντίστοιχα ταχύτατη προσέγγιση των ορίων της. Η συνέχιση της εξέλιξης της τεχνολογίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αποτελεί ένα μονόδρομο, ο οποίος με τον έναν ή με τον άλλο τρόπο θα μας οδηγήσει στο κατώφλι των ατομικών διαστάσεων. Οι προσπάθειες που γίνονται την τελευταία δεκαετία αποσκοπούν στη μετάβαση σε μια νέα τεχνολογία, τη Νανοτεχνολογία. Η νανοτεχνολογία θα μας περάσει πλέον σε ένα άλλο επίπεδο δομών και θα επιφέρει νέες κατασκευαστικές τεχνολογίες και μεταρρύθμιση της βιομηχανικής παραγωγής. Παρακλάδι της νανοτεχνολογίας, η νανοηλεκτρονική θέτει πολλές προκλήσεις ως προς τη συνέχιση της μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας και την ικανοποίηση της ανάγκης για μεγαλύτερη κυκλωματική πυκνότητα, χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος και αύξηση της ταχύτητας λειτουργίας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αναλύεται η συμπεριφορά νέων νανοηλεκτρονικών διατάξεων και κυκλωμάτων τα οποία πιθανώς να αποτελέσουν το διάδοχο των καθιερωμένων κυκλωμάτων CMOS. Αναπτύσσεται, για πρώτη φορά, μια μεθοδολογία με την οποία μπορούν να σχεδιαστούν, να προσομοιωθούν και να μελετηθούν νανοηλεκτρονικά κυκλώματα. Η μεθοδολογία αυτή υλοποιείται και ενσωματώνεται σε ένα ολοκληρωμένο εργαλείο, το οποίο παρέχει τη δυνατότητα του σχεδιασμού και της προσομοίωσης νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Το εργαλείο αυτό δοκιμάστηκε σε πολλά νανοηλεκτρονικά κυκλώματα και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με εκείνα άλλων αντίστοιχων εργαλείων, καθώς και με τα προβλεπόμενα από τη θεωρία. Επίσης, νέα νανοηλεκτρονικά κυκλώματα σχεδιάζονται και προσομοιώνονται με χρήση του εργαλείου αυτού. Η ρεαλιστικότητα, η ευκολία στη χρήση και η πλήρης πρόσβαση στα δεδομένα κάνουν το προτεινόμενο σύστημα, που αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής, ένα πλήρες εργαλείο για το σχεδιασμό, την προσομοίωση και την έρευνα των νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων του ενός ηλεκτρονίου.