Adv. Radio Sci., 4, 307–311, 2006 www.adv-radio-sci.net/4/307/2006/ © Author(s) 2006. This work is licensed under a Creative Commons License. Advances in Radio Science Simulation von CNFET basierten Digitalschaltungen O. Soffke, P. Zipf, M. Velten, and M. Glesner FG Mikroelektronische Syteme, TU Darmstadt, Germany Zusammenfassung. Einwandige Kohlenstoff Nanoröhrchen können sowohl halbleitende als auch metallische Eigenschaften aufweisen, je nachdem wie die Röhrchenachse im Vergleich zur Anordnung der Kohlenstoffatome verläuft. Dies wird durch den sogenannten Aufrollvektor bestimmt. Halbleitende Nanoröhrchen können für Transistoren (CNFETs) verwendet werden, deren Verhalten sich mit einer modifizierten Version von Berkeley Spice 3f5 simulieren läßt. Die aus diesen Simulationen gewonnenen Parameter werden zur Parametrisierung von SystemC Modellen aus CNFETs bestehender Grundschaltungen verwendet, was zu einer um Größenordnungen höheren Simulationsgeschwindigkeit bei hoher Genauigkeit führt. Abstract. Single walled carbon nanotubes (CNT) can be either metallic or semiconducting depending on the tube’s orientation in relation to the configuration of the carbon atoms. This is determined by the so-called chiral vector. Semiconducting CNT can be used in transistors (CNFET) which can be simulated by a modified version of Berkeley Spice 3f5. The parameters determined by these simulations are used to parameterise SystemC models of some basic building blocks yielding fast simulations with high accuracy. 1 Einleitung Einwandige Kohlenstoff Nanoröhrchen stellen ein vielversprechendes Material bei der Suche nach den Bauelementen der Zukunft dar. Man kann sich diese Röhrchen dadurch entstanden denken, dass eine Graphenschicht, also eine Graphitschicht mit der Dicke einer Atomlage, zu einem Zylinder aufgerollt wird. Correspondence to: O. Soffke ([email protected]) Eine Eigenschaft von Kohlenstoff Nanoröhrchen ist, dass diese entweder halbleitend oder metallisch sein können, je nachdem wie die Röhrchenachse im Vergleich zur Anordnung der Kohlenstoffatome verläuft. Dies wird durch den sogenannten Aufroll- oder Chiralvektor bestimmt. Aus theoretischen berlegungen weiß man, dass bei rein zufällig gewähltem Aufrollvektor ein Drittel der entstehenden Röhrchen metallisch und zwei Drittel halbleitend sind. Zur Verwendung in Transistoren sind natürlich nur die halbleitenden Nanoröhrchen von Interesse. Der restliche Beitrag ist wie folgt gegliedert: In Abschnitt 2 werden die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorgestellt und Abschnitt 3 beschäftigt sich mit der Simulation von auf diesen Elementen basierenden Transistoren mit Spice. Schließlich wird die Abstraktion der Eigenschaften in Abschnitt 4 diskutiert und die Ergebnisse in Abschnitt 5 zusammengefasst. 2 2.1 Physikalische Eigenschaften von Kohlenstoff – Nanoröhrchen Geometrische Eigenschaften Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann man sich durch Aufrollen eines Streifens vorstellen, der aus einer Graphenschicht herausgeschnitten ist. Die Orientierung dieses Streifens relativ zur Anordnung der beteiligten Kohlenstoffatome wird durch den Aufrollvektor c bestimmt. Dieser lässt sich durch eine Linearkombination der in Abb. 1 definierten Gittervektoren a 1 und a 2 darstellen: c = n1 a 1 + n2 a 2 ; n1 , n2 ∈ Z. (1) Die Symmetrielinie durch die C-Atome wird als Armchairund die durch die Mittelpunkte der Sechsecke als ZigzagLinie bezeichnet. Demzufolge nennt man Nanoröhrchen, deren Aufrollvektor entlang einer solchen Symmerielinie Published by Copernicus GmbH on behalf of the URSI Landesausschuss in der Bundesrepublik Deutschland e.V. 22 308 O. Soffke et al.: Simulation von CNFET basierten Digitalschaltungen Soffke et Simulation al.: Simulation von CNFET basierten Digitalschaltungen Soffke et al.: von CNFET basierten Digitalschaltungen t t aa 2 2 armchair armchair a1 a1 a2 c a2 c zig-zag zig-zag Abbildung 1. Gittervektoren a1 und a2 sowie Aufrollvektor c Abbildung und Aufrollvektor Abbildung 1.1. Gittervektoren Gittervektorena 1amit sowie Aufrollvektor 1 und eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens na12 sowie =a42 und n2 = 2. c eines c Kohlenstoff-Nanoröhrchens mit n1mit = 4nund n = 2. 2 eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens = 4 und n 1 2 = 2. Der Umfang des Kohlenstoff-Nanoröhrchens ist verläuft, entsprechend bzw. Zigzag-Röhrchen. Der Umfang des ArmchairKohlenstoff-Nanoröhrchens ist schließlich durch die Länge des Aufrollvektors gegeben: Aus Symmetriegründen ist es ausreichend Aufrollvektor zu schließlich q durch die Länge des Aufrollvektors gegeben: betrachten, die zwischen 2 diesen beiden Linien verlaufen. Für |c|diese = q (n1 a1 +gilt: n2 a2 ) Vektoren 2 |c| = q (n1 a1 2+ n2 a2 ) 2 2 2 n1 (a 0=≤ nq n11 ) 2+ 2n1 n2 a1 a2 + n2 (a2 ) . 2 (2) 2 ≤ = n21 (a1 ) + 2n1 n2 a1 a2 + n22 (a2 ) . Mit der a0 := |a1 | = |a2 | gilt für die auftretenden DerDefinition Umfang des Kohlenstoff-Nanoröhrchens ist schließSkalarprodukte: lich durch die Länge Aufrollvektors gegeben: Mit der Definition a0 des := |a | = |a | gilt für die auftretenden 1 2 Skalarprodukte: 2 (a1 ) =qa20 2 |c|22= (n 1 a 1 + n2 a 2 ) (a (a21)) ==qaa20 20 2= an222(a 1 )2 + 2n1 n2 a 1 a 2 + n2 (a 2 )2 . 2 (aa 2 ) = a010. a 1 2 = 2a2 Mit der Definition a0 : = |a 1 | = |a 2 | gilt für die auftretenden a1 a2 = 0 . Damit folgt 2für den Umfang des Nanoröhrchens: Skalarprodukte: q des Nanoröhrchens: Damit = a02für den Umfang (a 1 )2folgt |c| = a0 n21 + n22 + n1 n2 . (3) q (a 2 )2 = a02 |c| besitzt = a0 das n21 +Kohlenstoff-Nanoröhrchen n22 + n1 n2 . (3) 2 Darüber ahinaus 0 a a = . 2 eine 1Verschiebungssymmetrie, d.h. die Struktur entlang der 2 Darüber hinaus besitzt Kohlenstoff-Nanoröhrchen Röhrchenachse wiederholt sichdas periodisch. Die Periode wird folgt für den Umfangwas des Nanoröhrchens: eine Damit Verschiebungssymmetrie, d.h.in die Struktur entlang durch den Vektor t beschrieben, Abb. 2 dargestellt ist. der Röhrchenachse wiederholtbezeichnet sich periodisch. DiePeriode Periodealswird q In diesem Zusammenhang man eine |c|Einheitszelle =den a0 Vektor n21 + (Yang, nt22 beschrieben, + n11999). n2 . Auch (3)ist. durch was der in Abb. 2 dargestellt 1-D Vektor t läßt sich In Linearkombination diesem Zusammenhang bezeichnet man eine Periode als als der Gittervektoren darstellen: hinaus(Yang, besitzt 1999). das Kohlenstoff-Nanoröhrchen 1-D Darüber Einheitszelle Auch der Vektor t läßteisich ne Verschiebungssymmetrie, d.h. entlang (4) der t = t a + t a ; t t2 ∈Struktur Z.darstellen: 1 1 der2Gittervektoren 2 1 ,die als Linearkombination Röhrchenachse wiederholt sich periodisch. Die Periode wird den zeigen, Vektor was inKoeffizienten Abb. 2 dargestellt ist.(4) Es durch läßt sich für die beiden t1 und t =tdass tbeschrieben, 1 a1 + t2 a2 ; t1 , t2 ∈ Z. In diesem Zusammenhang bezeichnet man eine Periode als t2 gilt: 1999). Auch der Vektor t läßt sich Es1-D läßtEinheitszelle sich zeigen,(Yang, dass für die beiden Koeffizienten t1 und /g Gittervektoren darstellen: (5) als tLinearkombination 1 = − (n1 + 2n2 )der t2 gilt: t2 = (2n1 + n2 ) /g (6) t = t1 a 1 + t2 a 2 ; t1 , t2 ∈ Z. (4) − (n(2n mit gt1 ==GGT +2n)2/g , n1 + 2n2 ) , (7) (5) 1 +12n a1 a1 c c Abbildung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens Kohlenstoff-Nanoröhrchens Abbildung 2. 2. 1-D 1-D Einheitszelle eines Abbildung 1-D Einheitszelle eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens mit und nn2. = 2. mitn n11 = 44 und = 2. 2 2 mit n1 = 4 und n2 = 2. EsIm läßt sich zeigen,Beispiel dass fürgilt die nbeiden und dargestellen und n2 = 2.t1Damit 1 = 4Koeffizienten t gilt: 2 folgt für = GGT(10, Beispiel 8) = 2 und =4 −(4 + 2n·2)/2 =Damit Img dargestellen giltfürnt11 = und 2 = 2. −4 folgt und t = (2 · 4 + 2)/2 = 5. für g = GGT(10, 8) = 2 und für t = −(4 + 2 ·2)/2 = 2 1 t1 = − (n1 + 2n2 ) /g (5) Für Länge der 1-D Einheitszelle und damit für die −4t die und t = (2 · 4 + 2)/2 = 5. 2 (6) 2 = (2n1 + n2 ) /g Periodendauer“ ergibt der sich:1-D Einheitszelle und damit für die die Länge ”mit gFür = GGT (2n + n2 , n1 + 2n2 ) , (7) Periodendauer“1√ergibt qsich: ” 3a 0 wobei GGT(·)|t|die=Bestimmung desn2Größten Gemeinsamen + (8) √ n21q 2 + n1 n2 . g Informationen Teilers bedeutet. Weitere dazu finden sich in 3a0 2 2 n1 + n2 + n1 n2 . (8) |t| = Shukla and Bahar (2004). g 2.2 Elektrische Eigenschaften Im dargestellen Beispiel gilt n1 = 4 und n2 = 2. Damit folgt für Elektrische Für 2.2 die elektrischenEigenschaften Eigenschaften von Kohlenstoff- Nanoröhrchen wie g = GGT(10, ist, 8) = 2 in allen Materialien, die Bandstruktur Für die elektrischen Eigenschaften von Kohlenstoffverantwortlich. t1 =Nanoröhrchen −(4 + 2 · 2)/2ist, = −4 inund allen Materialien, Bandstruktur Die Wellenfunktionwieder Elektronen muß die dabei in t2 =verantwortlich. (2 · 4 + 2)/2 = 5. Umfangrichtung 2π-periodisch sein, was zu einer Wellenfunktion der kElektronen dabei in FürDie die Länge der 1-D Einheitszelle damit fürmuß die PeQuantisierung der Komponente Wellenvektors cunddes ” zu einer Umfangrichtung 2π-periodisch sein, was riodendauer“ ergibt sich: in Umfangsrichtung führt (Maultzsch, 2004): √ Quantisierung der Komponente kc des Wellenvektors q 3a0 2 2πq in Umfangsrichtung 2004): |t| = n1 + n22kc+=nführt (8) 1 n2 . (Maultzsch, , q ∈ Z. (9) g |c| 2πq 2.2 Gegensatz Elektrische Eigenschaften , q ∈ Z. kc = Im dazu ist die |c|axiale Komponente kt (9) kontinuierlich. Dies ergibt die möglichen Wellenvektoren: Für die elektrischen Eigenschaften von KohlenstoffIm Gegensatz die axiale Komponente kt Nanoröhrchen ist, wie dazu in allenist Materialien, die Bandstruktur 2πq kontinuierlich. Dies ergibt die möglichen Wellenvektoren: k = k e + k e = e + k e , (10) t t c t t verantwortlich. c c |c| Die Wellenfunktion der Elektronen muß dabei in Um2πq fangrichtung sein, einer kdie = kEinheitsvektoren kt ewas e + kt et , (10) wobei ec und2πet-periodisch Umfangsrichtung c ec + t =zu in c Quantisierung |c| der Komponente kc des Wellenvektors in Umfangsrichtung bzw. in Richtung der Röhrchenachse sind. Schließlcih lassen führt diese (Maultzsch, 2004): sich als Geraden in der k-Ebene wobei eWellenvektoren c und et die Einheitsvektoren in Umfangsrichtung beschreiben, die durch 2πqin Richtung der Röhrchenachse sind. Schließlcih lassen bzw. kc√= , q ∈ Z. (9) |c|diese Wellenvektoren als Geraden in der k-Ebene sich 3|ai | |ai | (n1 + ndie kx + (n2 − n1 ) · ky = 2πq (11) 2 ) ·durch beschreiben, t2 = (2n1 + n2 ) /g (6) 2 2 wobei die 4, Bestimmung des Größten Gemeinsamen Adv.GGT(·) Radio Sci., 307–311, 2006 www.adv-radio-sci.net/4/307/2006/ √ mit gbedeutet. = GGTWeitere (2n1 +Informationen n2 , n1 + 2n2dazu ) , finden sich in (7) gegeben3|a |aik|y die Komponenten der sind. Teilers i | Dabei stellen kx und (n1 + n2 ) · kx + (n2 − n1 ) · ky = 2πq (11) auftretenden Shukla and Bahar (2004). 2 Wellenvektoren in x- 2bzw. y-Richtung dar. wobei GGT(·) die Bestimmung des Größten Gemeinsamen imulation von CNFET basierten Digitalschaltungen b1 Abbildung 3. Erste Brillouin Zone von Graphen und Basisvektoren 309 des reziproken Gitters. O. Soffke et al.: Simulation von CNFET basierten Digitalschaltungen ky E dispersion relation and 1. Brillouin Zone k b2 9 8 7 E(k) (eV) 6 5 4 3 2 kx 1 2 2 1 1 0 10 x 10 0 −1 −2 −1 −3 10 x 10 −2 k (1/m) k (1/m) x y Abbildung 3. Erste Brillouin Zone von Graphen und Basisvektoren des reziproken Gitters. Abbildung4.4.E(k) E(k) Dispersionsrelation Graphene. Darüber Abbildung Dispersionsrelation für für Graphene. Darüber hinhinaus die auftretenden Wellenvektoren der k-Ebene aus sind sind die auftretenden Wellenvektoren in derink-Ebene eingeeingezeichnet. Da einige Geraden die Ecken derBZ 1. lauBZ zeichnet. Da einige dieserdieser Geraden durchdurch die Ecken der 1. laufen, ist das dargestellte Kohlenstoff-Nanoröhhrchen metallisch. fen, ist das dargestellte Kohlenstoff-Nanoröhhrchen metallisch. Die zu den entsprechenden Wellenvektoren gehörende 1 2 Energie läßt sich aus der Dispersionsrelation von Graphen (Saito et al., 1992) ermitteln: v u 3 u X de Energie sind ini )der k-Ebene die (12) aufE(k) =E(k). ±t0 tZusätzlich 3+2 cos (ka tretenden Wellenvektoren i=1 eingezeichnet. Da die Energie in den hat das Nanoröhrchen mitEcken a3 =der a21.− BZ a1 verschwindet, und t0 ≈ 3 eV. nur dann keine Bandlücke, wenn eine Ecke der 1. BZ einem Die Gittervektoren des Energienullpunkt reziproken Gitters 1 und b2 (der möglichen Wellenvektorbentspricht ist ergeben sich zu: hier gleich dem Ferminiveau). Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine dera2Geraden × en durch eine der enEcken × a1 läuft. Durch b1 = 2π Analyse läßt , sich b2 =zeigen, 2π (13) geometrische dass dies ,nur dann a1 (a2 × en ) a2 (e n × a1 ) möglich ist, wenn (n1 − n2 )/3 ganzzahlig ist (Raja et al., wobei e Normalenvektor die Gitterebene darstellt. n den 2004). Dies bedeutet, dass dasauf Kohlenstoff-Nanoröhrchen Daraus lassen sich die Ecken der 1. Brillouin Zoneist.(BZ) sich metallisch verhält, wenn diese Bedingung erfüllt Anbestimmen und nachweisen, dass die Energie E(k) in diesen dernfalls ist das Röhrchen halbleitend. Bei zufällig entsteEcken Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu Null wird. Die Gittervektoren b1 und ein b2 Dritdes henden sind demzufolge reziproken Gitters sowie die 1. BZ sind in Abb. 3 dargestellt. tel der Röhrchen metallisch und zwei Drittel halbleitend. Halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhrchen kommen für den In Abb. 4 sieht man schließlich die Dispersionsrelation Aufbau von Transistoren in Frage. Bei diesen Transistovon Graphen, d.h. die zu den Wellenvektoren k gehörende ren kann der Strom durch das Röhrchen durch ein elektriEnergie E(k). Zusätzlich sind in der k-Ebene die sches Feld gesteuert werden, ähnlich wie bei konventionelauftretenden Wellenvektoren eingezeichnet. Da die len MOSFETs. Aufgrund der eindimensionalen Struktur des Nanoröhrchens erfolgt der Transport allerdings nahezu ballistisch (Rahman et al., 2003). Ecken zu Null wird. Die Gittervektoren b und b des reziste Brillouin Zone von Graphenproken und Basisvektoren Gitters sowie die 1. BZ sind in Abb. 3 dargestellt. Im Gegensatz dazu ist die axiale Komponente k kontinuierIn Abb. 4 sieht man schließlich die Dispersionsrelation möglichen Wellenvektoren: Gitters.lich. Dies ergibt die2πq von Graphen, d.h. die zu den Wellenvektoren k gehörent k = kc ec + kt et = |c| ec + kt et , (10) wobei ec und et die Einheitsvektoren in Umfangsrichtung bzw. in Richtung der Röhrchenachse sind. SchließlcihZone lasE dispersion relation and 1. Brillouin senk sich diese Wellenvektoren als Geraden in der k-Ebene beschreiben, die durch √ 3|a i | |a i | (11) (n1 + n2 ) · kx + (n2 − n1 ) · ky = 2π q 2 2 gegeben sind. Dabei stellen kx und ky die Komponenten der auftretenden Wellenvektoren in x- bzw. y-Richtung dar. Die zu den entsprechenden Wellenvektoren gehörende Energie läßt sich aus der Dispersionsrelation von Graphen (Saito et al., 1992) ermitteln: v u 3 u X E(k) = ±t0 t3 + 2 cos (ka i ) (12) i=1 mit a3 = a2 − a1 und t0 ≈ 3 eV. Die Gittervektoren b1 und b2 des reziproken Gitters ergeben sich zu: b1 = 2π a 2 × en , a 1 (a 2 × en ) b2 = 2π en × a 1 , a 2 (en × a 1 ) (13) wobei en den Normalenvektor auf die Gitterebene darstellt. Daraus lassen sich die Ecken der 1. Brillouin Zone (BZ) bestimmen und nachweisen, dass die Energie E(k) in diesen www.adv-radio-sci.net/4/307/2006/ 3 Ene Nan Eck (der Dies durc läßt (n1 bede verh das Koh Röh H Auf kann Feld MO Nan balli 3 Sim 0 3 b1 durch e läßt sic (n1 − bedeute verhält, das Rö Kohlens Röhrche Halbl Aufbau kann de Feld ge MOSFE Nanoröh ballistis Simulation mit Spice Für die Simulation auf Transistorebene kommt das von Dwyer et al. (2004) vorgestellte I-V-SPICE zum Einsatz. Dabei handelt es sich um eine modifizierte Version von BerkeAdv. Radio Sci., 4, 307–311, 2006 Für die von Dw Einsatz. Version dahinge von Bau zugängl möglich Simulat Zusätzli dynamis und Kap Nanoröh SPICE v Kohlens Ausgang Diese K der Stro Im R auch me ein NAN Gatter w Flop au Flop wu charakte 4 Abs Für de werden Simulat wurden 4 4 Soffke et al.: Simulation von CNFET basierten Digitalschaltun 310 4 O. Soffke et al.: Simulation von CNFET basierten Digitalschaltungen Soffke et al.: von von CNFET basierten Digitalschaltungen Soffke et Simulation al.: Simulation CNFET basierten Digitalschaltungen 0.32nH Source 10 nsn 10 0.32nH 10 10 0.32nH nsn nsn Source Source 0.8aF 10 ndn 0.32nH 10 0.32nH ndn ndn 0.32nH i=tbl(7,v(nsn),v(ndn),v(ngn)) Drain 0.8aF DrainDrain 25k 0.8aF0.8aF 0.8aF0.8aF i=tbl(7,v(nsn),v(ndn),v(ngn)) i=tbl(7,v(nsn),v(ndn),v(ngn)) ngn 0.32nH 6.5k 25k ngn 0.32nH ngn 0.32nH6.5k 6.5k 25k 25k 8.4aF 25k 25k 0.32nH 0.32nH 0.32nH 6.5k 6.5k6.5k 25k 25k 25k Gate GateGate 0.8aF 0.8aF 0.8aF 8.4aF8.4aF (a) (a) (a) (b) (b) (b) Abbildung 5.5.Das von Dwyer et al. verwendete Modell eines CNFET (a) metallischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (b). Die Die Abbildung Das von Dwyer etet(2004) al. (2004) verwendete Modell eines CNFET (a)eines und eines metallischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (b) Abbildung 5. Das Das von Dwyer al.(2004) (2004) verwendete Modell eines CNFET (a) und metallischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (b). Die Abbildung 5. von Dwyer et al. verwendete Modell eines CNFET (a)und undeines eines metallischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (b). in (a) verwendete Stromquelle ist durch tabellarisierte Meßwerte realisiert. in (a) verwendete Stromquelle ist durch tabellarisierte Meßwerte realisiert. in (a)inverwendete Stromquelle ist durch durchtabellarisierte tabellarisierte Meßwerte realisiert. (a) verwendete Stromquelle ist Meßwerte realisiert. 8 8 8 Vg=0.0V Vg=0.0V Vg=0.2V Vg=0.2V Vg=0.0V Vg=0.4V Vg=0.4V Vg=0.2V 7 Vg=0.6V Vg=0.6V Vg=0.4V Vg=0.9V 7 Vg=0.9V Vg=0.6V Vg=0.9V 6 6 1 4 Abstraktion mit SystemC 1 1 A 3 0.5 B 4 0 1 0.5 Signalwert Logikwert 0.3 0.5 B 2 0.6 0.6 0.5 0 1 0 1 2 OUT 1 0 Signalwert Logikwert Signalwert Logikwert 0.3 OUT 23 0.3 0.3 0 0 1 B Id [uA] Id [uA] Id [uA] 34 0.5 Für den Entwurf komplexer digitaler Schaltungen werden abstrahierte Modelle benötigt, die eine höhere Simulationsgeschwindigkeit als durch Spice erlauben. Daher wurden die durch Spice-Simulationen ermittelten Daten verwendet, um SystemC Modelle des Flip-Flops und des Gatters zu entwickeln. 0 1 Signalwert Logikwert 0.6 0.6 0.5 0 1 5 5 4 A A 6 5 0.5 Signalwert Logikwert Signalwert Logikwert 7 0 0 0 1 0.5 Signalwert Logikwert Signalwert Logikwert 0 0.6 0.6 0.3 0.3 Signalwert Logikwert 0 0 4.9 OUT Die SystemC Abstraktionen modellieren dabei auch Ef-1 -1 fekte wie eine vergrößerte Durchlaufzeit bei Verletzung der 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 00.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.7 0.8 0.9 1 0 Vds [V] Vds [V] Setup-Zeit des Flip-Flops. Natürlich wird in einem solchen -1 Fall eine 7.entsprechende generiert. Im Falle Abbildung 7. Vergleich des Zeitverhaltens des Flip-Flops 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Abbildung Vergleich desWarnmeldung Zeitverhaltens des Flip-Flops bei bei Abbildung 6. Ausgangskennlinienfeld eines n-Typ CNFET. Abbildung 6. Ausgangskennlinienfeld n-Typ CNFET. Vds eines [V] des Gatters werden auch Effekte berücksichtigt, die auftreSimulation mit SystemC und Spice. Simulation mit SystemC und Spice. ten, wenn beide Eingänge nur fürdes kurze Zeit gleichzeitig Abbildung 7. Vergleich Zeitverhaltens des Flip-Flops Abbildung 6. Ausgangskennlinienfeld eines CNFET. Abbildung 6. Ausgangskennlinienfeld einesn-Typ n-Typ CNFET. auf logisch eins liegen. In einem solchen Fall unterschreiSimulation mit SystemC und Spice. verwendet, SystemC Modelle Flip-Flops verwendet, um um SystemC Modelle des des Flip-Flops und und des des tet die Ausgangsspannung in der Spice-Simulation die 50% Gatters zu entwickeln. Gatters zu entwickeln. Schwelle der Versorgungsspannung nicht. Bei vergleichbaSystemC Abstraktionen modellieren dabei Die Die SystemC Abstraktionen modellieren dabei auchauch rem Timing der Eingangssignale zeigt auch der Ausgang der verwendet, um SystemC Modelle des Flip-Flops und des Effekte Durchlaufzeit bei verändert, Verletzung SystemC Simulation keine Veränderung. Dies ist ein wesentEffekte wie wie eine vergrößerte Durchlaufzeit bei Verletzung ley Spice 3f5.eine Der vergrößerte Quellcode wurde dahingehend Gatters zu entwickeln. Setup-Zeit des Flip-Flops. Natürlich wird in ineinem der der Setup-Zeit des Flip-Flops. Natürlich wird in einem licher Unterschied zu herkömmlichen abstrakten Modellen, dass Strom-Spannungskennlinien von Bauelementen taDie SystemC Abstraktionen modellieren dabei auch solchen Fall eine entsprechende Warnmeldung generiert. die ein solches Gatter als Boolesche Funktion mit nachgesolchen Fall eine entsprechende Warnmeldung generiert. bellarischer Form dem Simulator zugänglich gemacht werschaltetem Verzögerungselement modellieren. In diesem Fall Im Falle des Gatters werden auch Effekte berücksichtigt, Im Falle des Gatters werden auch Effekte berücksichtigt, Effekte wie eine vergrößerte Durchlaufzeit bei Verletzung den können. Dadurch ist es möglich reale Messdaten von die auftreten, wenn beide Eingänge nur für kurze Zeit die auftreten, wenn beide Eingänge nur für kurze Zeit der hergestellten Setup-Zeit CNFETs des Flip-Flops. Natürlich wird in einemwürde am Ausgang ein kurzer Glitch auftreten, obwohl diefür die Simulation nanoelektronischer gleichzeitig auf logisch eins liegen. In einem solchen gleichzeitig auf logisch eins liegen. In einem solchen Schaltungen zu verwenden. Zusätzlich ergänzten Dwyer solchen Fall eine entsprechende Warnmeldung generiert.ser in der realen Schaltung nicht vorhanden ist. unterschreitet die Ausgangsspannung in der Fall Fall unterschreitet die Ausgangsspannung in der Spiceet al. (2004) das Modell um dynamische Effekte in FormSpicevon Im Falle des Gatters werden auch Effekte berücksichtigt, Die Abbildungen 7 und 8 vergleichen die SimulationserSimulation die 50% Schwelle der Versorgungsspannung Simulation die 50% Schwelle der Versorgungsspannung parasitären Induktivitäten und Kapazitäten. Ein Modell von genisse von SystemC und Spice miteinander. Die gute berdie auftreten, wenn beide Eingänge nur für kurze Zeit nicht. vergleichbarem Timing der Eingangssignale nicht. Bei Bei vergleichbarem Timing der wurde Eingangssignale metallischen Kohlenstoff Nanoröhrchen ebenfalls voreinstimmung der Ergebnisse bezüglich des Zeitverhaltens ist gleichzeitig logisch eins liegen. In einem solchen Abbildung 8. VergleichZeitverhaltens des Zeitverhaltens des NAND Gatters bei Abbildung 8. Vergleich des darüber NAND Gatters der Ausgang der SystemC Simulation zeigtzeigt auchauch derauf Ausgang derverwendeten SystemC Simulation keinekeine gestellt. Die in I-V-SPICE Modelle für CNFETs deutlich zu erkennen.des In Abb. 7 sieht man hinaus bei die Simulation mit SystemC und Spice. Fall unterschreitet die Ausgangsspannung in der SpiceSimulation mit SystemC und Spice. Veränderung. DiesDies ist ein wesentlicher Unterschied zu 5zu erwähnte Filtereigenschaft“ des NAND Gatters, und dass Veränderung. ist ein wesentlicher Unterschied und metallische Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind in Abb. ” Simulation 50% Schwelle der die Versorgungsspannung dargestellt.dieDas Ausgangskennlinienfeld eines CNherkömmlichen abstrakten Modellen, ein n-Typ solches herkömmlichen abstrakten Modellen, die ein solches sich diese auch in der SystemC Simulation wiederfindet. FETBei zeigt Abb. 6. Diese Kurven repräsentieren im WesentliGatter als Boolesche Funktion mit mit nachgeschaltetem Gatter als Boolesche Funktion nicht. vergleichbarem Timing dernachgeschaltetem Eingangssignale Verletzung der Setup-Zeit auftretende Verzögerung in der Verletzung der auftretende Verzögerung in Im Falle desSetup-Zeit Flip-Flops wurde der der Änderung chen das Verhalten der Stromquelle aus Abb. 5a. Verzögerungselement modellieren. In diesem Fall würde am am Verzögerungselement modellieren. In diesem Fall würde Abbildung 8. Vergleich desZeitpunkt Zeitverhaltens desder NAND Gatter zeigt auch der Ausgang der SystemC Simulation keine SystemC Simulation sehr gut widerspiegelt. Bei einer SystemC Simulation sehr gut widerspiegelt. Bei einer des Dateneingangs mit dem Zyklus näher an die Taktflanke Ausgang ein kurzer Glitch auftreten, obwohl dieser in der Ausgang einDies kurzer auftreten, obwohl dieser in der zu Simulation mit SystemC und Spice. Veränderung. istGlitch ein wesentlicher Unterschied größerern“ Verletzung kippt“ der Ausgang schließlich größerern“ Verletzung kippt“ der Ausgang schließlich Im Rahmen dieses Beitrags wurden sowohl CNFETs als geschoben. Man erkennt deutlich, dass sich die bei einer Verrealen Schaltung nichtnicht vorhanden ist. ist. realen Schaltung vorhanden ” ” ” ” herkömmlichen abstrakten Modellen, die ein um solches nicht mehr. Auch dieses Verhalten diederSystemC mehr. Auch dieses Verhalten zeigtzeigt die inSystemC auch metallische Kohlenstoff Nanoröhrchen verwendet, letzung der Setup-Zeit auftretende Verzögerung SyDie DieAbbildungen die die nicht Abbildungen7 7und und8 8vergleichen vergleichen Simulation. In Zipf etgut al.widerspiegelt. (2005) findet sicheiner eine detaillierte Gatter als Boolesche Funktion mit nachgeschaltetem ein NAND Gatter zu implementieren. Mit diesem NAND Simulation. stemC Simulation sehr Bei größeIn Zipf et al. (2005) findet sich eine detaillierte Simulationsergenisse von von SystemC und und Spice miteinander. Simulationsergenisse SystemC Spice miteinander. ” Verletzung der Setup-Zeit auftretende in Beschreibung der SystemC Implementierung. Gatter wurde anschließend ein flankengetriggertes ren“ Verletzung kippt“ der Ausgang schließlich nichtVerzögerung mehr. Beschreibung der SystemC Implementierung. Verzögerungselement modellieren. In diesem FallD-Flipwürde Die Die gutegute Übereinstimmung der der Ergebnisse bezüglich des desam ” Übereinstimmung Ergebnisse bezüglich SystemC Simulation sehr gut widerspiegelt. Bei e Flop aufgebaut. Sowohl das Gatter wie auch das FlipAuch dieses Verhalten zeigt die SystemC Simulation. In Zipf Ausgang ein ist kurzer Glitch auftreten, obwohl in der Zeitverhaltens deutlich zu erkennen. In Abb. 7 sieht manman Zeitverhaltens ist deutlich zu erkennen. In Abb. 7dieser sieht Flop wurden durch ausführliche Simulationen in I-V-Spice et al. (2005) findet sich eine detaillierte Beschreibung der Sygrößerern“ Verletzung kippt“ der Ausgang schließ realen Schaltung vorhanden ist. darüber hinaus die nicht erwähnte Filtereigenschaft“ des NAND darüber hinaus die erwähnte Filtereigenschaft“ des NAND 5 Zusammenfassung ”Implementierung. ” 5 Zusammenfassung charakterisiert. stemC ” ” nicht mehr. Auch dieses Verhalten zeigt die Syst Gatters, und dass sich diese auch in der SystemC Simulation Gatters, und dass sich diese auch in der SystemC Simulation Die Abbildungen 7 und 8 vergleichen die Simulation. In Zipf et al. (2005)physikalischen findet sich eine detaill wiederfindet. wiederfindet. In diesem Beitrag werden die geomtrischen, physikalischen In diesem Beitrag werden die geomtrischen, Simulationsergenisse von SystemC und Spice miteinander. Adv. Radio Sci., 4, 307–311, 2006 www.adv-radio-sci.net/4/307/2006/ Beschreibung der SystemC Implementierung. Im Falle des Flip-Flops wurde der der Änderung elektrischenEigenschaften Eigenschaften KohlenstoffIm Falle des Flip-Flops wurde der Zeitpunkt der Änderungdes und undelektrischen von von KohlenstoffDie gute Übereinstimmung derZeitpunkt Ergebnisse bezüglich des des Dateneingangs mit dem Zyklus näher an die Nanoröhrchen reflektiert. Nanoröhrchen können Dateneingangs mit dem Zyklus näher an Taktflanke die Taktflanke Nanoröhrchen reflektiert. DieseDiese Nanoröhrchen können Zeitverhaltens ist deutlich zu erkennen. In Abb. 7 sieht man geschoben. ManMan erkennt deutlich, dassdass sich sich die die bei bei einereiner entweder metallische oder oder halbleitende Eigenschaften entweder metallische halbleitende Eigenschaften geschoben. erkennt deutlich, 1 0.5 5 4.9 5.1 5 5.2 5.1 5.3 5.2 5.4 5.3 5.5 5.4 5.6 5.5 5.7 5.6 5.8 5.7 5.9 5.8 6 Zeit [ns] Zeit [ns] 0 6 6.2 6.1 6.3 6.2 6.4 6.3 6.5 6.4 6.6 6.5 6.7 6.6 6.8 6.7 5.9 6.1 0 6.8 0 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6 Zeit [ns] 1 0.5 CLK CLK 1 1 0 0 CLK D D 0.5 0.3 0.3 0 1 0 1 0.6 0.6 0.5 0.5 0.6 0.6 0.5 0.3 0.3 0 1 0 1 Q Q 0.5 0.5 0.5 SPICE Simulation SPICE Simulation SystemC Simulation SystemC Simulation 0 0 0 0.6 0 0 D 0 1 0.70.6 1 0.80.7 0.90.8 1 0.9 1.1 1 1.21.1 1.31.2 Q Zeit [ns] 1.41.3 Zeit [ns] 1.51.4 1.61.5 1.71.6 1.81.7 1.91.8 0.6 0.6 0.3 0.3 0 0 2 1.9 2 0.5 SPICE Simulation SystemC Simulation 0 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 Zeit [ns] darüber hinaus die erwähnte Filtereigenschaft“ des NAND 5 Zusammenfassung 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 (b) -1 0 0.1 0.2 0.3 0 0 4.9 0.4 0.5 Vds [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Zeit [ns] 1 odell eines CNFET (a) und eines metallischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (b). Die Abbildung 7. Vergleich des Zeitverhaltens des Flip-Flops bei ßwerte realisiert. 6. Ausgangskennlinienfeld einesbasierten n-Typ CNFET. O. Abbildung Soffke et al.: Simulation von CNFET Digitalschaltungen 311 Simulation mit SystemC und Spice. 1 1 verwendet, um SystemC Modelle des Flip-Flops und des Gatters zu entwickeln. Die SystemC Abstraktionen modellieren dabei auch Effekte wie eine vergrößerte Durchlaufzeit bei Verletzung der Setup-Zeit des Flip-Flops. Natürlich wird in einem solchen Fall eine entsprechende Warnmeldung generiert. Im Falle des Gatters werden auch Effekte berücksichtigt, die auftreten, wenn beide Eingänge nur für kurze Zeit gleichzeitig auf logisch eins liegen. In einem solchen Fall unterschreitet die Ausgangsspannung in der SpiceSimulation die 50% Schwelle der Versorgungsspannung nicht. Bei vergleichbarem Timing der Eingangssignale Abbildung 7.7.Vergleich des desdes Flip-Flops beikeine SiAbbildung Vergleich desZeitverhaltens Zeitverhaltens Flip-Flops bei zeigt auch der Ausgang der SystemC Simulation Simulation mit SystemC und Spice. mulation mit SystemC und Spice. Veränderung. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen abstrakten Modellen, die ein solches Gatter als Boolesche Funktion mit nachgeschaltetem 5 Verzögerungselement Zusammenfassung modellieren. In diesem Fall würde am Ausgang ein kurzer Glitch auftreten, obwohl dieser in der In realen diesemSchaltung Beitrag werden die geomtrischen, physikalischen nicht vorhanden ist. und elektrischen Eigenschaften von Kohlenstoff-NanoröhrDie Abbildungen 7 und 8 vergleichen die chen reflektiert. Diese Nanoröhrchen können entweder meSimulationsergenisse von SystemC und Spice miteinander. tallische oder halbleitende Eigenschaften aufweisen, wobei Die gute Übereinstimmung der Ergebnisse bezüglich des sich die halbleitenden zum Einsatz in Transistoren eignen. Zeitverhaltens ist deutlich zu erkennen. In Abb. 7 sieht man Eine modifizierte Version von Spice kann zur Simulation diedarüber hinaus die erwähnte Filtereigenschaft“ des NAND ” Grundschaltungen verwenserGatters, Transistoren bzw. und dass sicheinfacher diese auch in der SystemC Simulation detwiederfindet. werden. Die so ermittelten Parameter dienen zur Konfiguration von SystemC Modellen, Im Falle des Flip-Flops wurdedie derSimulationen Zeitpunkt der erlauben, Änderung die fast genauso akkurat aber um Größenordnungen schneller des Dateneingangs Zyklus näher an dieGatters Taktflanke Abbildung 8. Vergleichmit des dem Zeitverhaltens des NAND bei sind als entsprechende mit Spice. Spice. Simulation mit SystemC und geschoben. Man erkennt deutlich, dass sich die bei einer A 0.6 0.5 CLK Signalwert Logikwert 0.6 0.5 0.3 0 1 0.3 0 0 1 0 Signalwert Logikwert 0.6 D B 0.6 0.5 0.5 0.3 0 1 0.3 0 0 1 0 0.6 0.5 0.6 Q OUT Signalwert Logikwert 0.5 0.3 0 0 4.9 ei auch rletzung n einem eneriert. sichtigt, rze Zeit solchen Spicepannung ssignale n keine hied zu solches haltetem ürde am r in der en die inander. lich des eht man NAND mulation nderung ktflanke ei einer 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 0 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 Zeit [ns] Abbildung des NAND NANDGatters Gattersbei bei Abbildung 8. 8. Vergleich Vergleich des Zeitverhaltens Zeitverhaltens des Simulation Simulation mit mit SystemC SystemC und Spice. 1 CLK und des 0.6 0.5 0.3 0 1 0 0.6 D T. 5 Zeit [ns] 0.5 0.3 0 1 0 0.6 Q 1 0.3 SPICE Simulation SystemC Simulation 0 0.5 0.3 SPICE Simulation SystemC Simulation 0 0 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 Zeit [ns] Verletzung der Setup-Zeit auftretende Verzögerung in der SystemC Simulation sehr gut widerspiegelt. Bei einer größerern“ Verletzung kippt“ der Ausgang schließlich ” ” nicht mehr. Auch dieses Verhalten zeigt die SystemC Simulation. In Zipf et al. (2005) findet sich eine detaillierte Beschreibung der SystemC Implementierung. 5 Zusammenfassung Verletzung der Setup-Zeit auftretende Verzögerung in der Literatur SystemC Simulation sehr gut widerspiegelt. Bei einer Dwyer, C., Cheung, M., and Sorin, Semi-empirical SPICE Mogrößerern“ Verletzung kippt“D.:der Ausgang schließlich ” dels for Carbon Nanotube”FET Logic, 4th IEEE Conference on nicht mehr. Auch dieses Verhalten zeigt die SystemC Nanotechnology, pp.et386–388, 2004. Simulation. In Zipf al. (2005) findet sich eine detaillierte Maultzsch, J.: Vibrational properties of carbon nanotubes and graBeschreibung der SystemC Implementierung. phite, Ph.D. thesis, Technische Universität Berlin, 2004. Rahman, A., Guo, J., Datta, S., and Lundstrom, M. S.: Theory of Nanotransistors, IEEE Transactions on Electron Devi5 Ballistic Zusammenfassung ces, 50, 1853–1864, 2003. Raja, T., Agrawal, D., anddie Bushnell, M. L.: Aphysikalischen Tutorial on the In diesem BeitragV.werden geomtrischen, Emerging Nanotechnology Devices, in: Proc. 17th Intern. und elektrischen Eigenschaften von of the KohlenstoffConf. on VLSI Design (VLSID’04), 2004. Nanoröhrchen reflektiert. Diese Nanoröhrchen können Saito, R., Fujita, M., Dresselhaus, and Dresselhaus, M. S.: Elecentweder metallische oder G., halbleitende Eigenschaften tronic structure of chiral graphene tubules, Appl. Phys. Lett., 60, 2204–2206, 1992. 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