基于电荷捕获层阈值电压调制的CMOS兼容可重构三值反相器设计与性能研究

《Scientific Reports》：Reconfigurable CMOS ternary inverter based on charge-trapping-enabled VTC modulation

　　

摘要

基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的三值反相器面临的一项重大挑战，是在功耗、开关速度、功能灵活性与与传统CMOS技术的兼容性之间实现平衡组合。尽管已有各种努力，但在CMOS兼容框架内同时实现具有竞争力的功耗、快速开关和功能灵活性仍然极具挑战。在本工作中，我们提出了一种可重构三值反相器，该反相器利用电荷捕获层（CTL）引起的阈值电压（V_th）调制来实现电压传输特性（VTC）的可控调制。通过选择性地将CTL集成到不同类型的晶体管中，我们证明了根据器件位置的不同，VTC可以实现垂直或水平调制，从而实现对中间逻辑电平和开关边界的精确控制。基于这一机制，所提出的反相器支持通过可编程V_th调谐在三值操作和二进制操作之间进行动态重构。采用硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅（SONOS）FinFET结构，在保持与传统硅CMOS技术兼容的同时，提供了改善的静电控制。通过基于工艺计算机辅助设计（TCAD）并用实验数据校准的混合模式仿真，我们证明了CTL集成位置对VTC调制和电路性能都有显著影响。在所研究的配置中，低阈值电压晶体管（LVT）-CTL集成可在维持VDD/2功耗为173 nW的情况下实现二进制/三值重构，且在三值操作和二进制操作下的平均传输延迟分别为5.10 ns和4.77 ns。相比之下，高阈值电压晶体管（HVT）-CTL集成在三值操作下表现出明显的传输延迟代价，凸显了CTL放置位置在可重构三值反相器设计中的重要性。这些结果表明了一种针对多值逻辑（MVL）电路VTC工程的通用设计策略，其中CTL放置位置作为控制VTC调制模式及相关电路性能折衷的关键设计参数。