[發明專利]硅基單電子神經元量子電路

無效

• 申請號: 200710120102.7
• 申請日: 2007-08-09
• 公開（公告）號: CN101364594A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 韓偉華
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L27/02
• 分類號: H01L27/02;H01L29/772;H01L29/423;G06N3/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及納米電子學中單電子器件集成電路技術領域，尤其涉及一種硅基單電子神經元量子電路。

背景技術

納米電子學是納米科技的重要領域之一，是微電子學繼續向微觀領域的發展和延伸。目前，超大規模集成電路的特征尺寸已經進入到納米尺度(＜100nm)范圍，在CMOS器件等比例縮小的過程中，強電場效應、熱效應和量子效應的影響變得越來越突出。在納米尺度的半導體庫侖島中，庫侖阻塞效應的發現，使半導體晶體管器件進入了單電子可控的時代。單電子器件已經成為納米電子學中最為基本的元件之一。

單電子器件是通過納米尺寸的庫侖島控制單個電子輸運來進行工作的。隨著納米加工技術的發展，科學家已經可以在納米尺度范圍內控制庫侖島的尺寸和形狀，以及隧穿結勢壘的厚度和形狀。目前在實驗室已經實現了硅基單電子器件在室溫條件下工作。庫侖島的空間尺寸被減小到納米量級，導致量子限制效應的顯著增強。電子隧穿通過庫侖島時，庫侖島內的電荷勢能將排斥外界電子的進入。如果電子進入庫侖島所需的電荷能大于環境熱能，這個電子將被阻塞。器件的柵電場通過電容耦合可以對庫侖島內的能級進行電勢調制。當庫侖島內的能級位于源漏電子庫費米能級構成的能量窗口時，電子將通過共振隧穿效應高穿透率地通過庫侖島。這樣，控制單電子的隧穿和阻塞狀態，便構成了單電子器件信息表達的基本方式。對于單電子晶體管來說，通過庫侖島的電子動量變化被顯著地表現為具有分立能級特征的電流峰。對于單電子記憶存儲器來說，單電子進入庫侖島可以視為存儲一個電荷，流出庫侖島可以視為釋放一個電荷。庫侖島在這種單電子進出的過程中，電勢將具有e/C(其中C為庫侖島的整個電容)的起伏，單電子記憶存儲器可以探測出這種由于單電子輸運引起的庫侖島電勢起伏。

單電子器件不同于微電子MOS器件的基本特征是具有超高密度集成能力和量子效應，這兩個基本特征決定了單電子器件的集成方式不同于通常的微電子器件。與任何多體系統一樣，超高密度集成的納米單電子電路存在熱起伏、器件性能參數起伏以及局部可靠性起伏等。傳統的CMOS電路組織方式和系統設計思想將不適合納米電子器件體系結構的要求。人工神經網絡、模糊系統以及遺傳算法為納米單電子電路結構提供了有趣的研究途徑。由于單電子器件具有十分精細的結構，數據處理過程僅涉及少數粒子，參數可能發生明顯的波動，這種波動也會導致輸出信號的起伏，因此采用具有概率意義的模糊量進行信息控制是非常必要的：一方面，模糊量集合按照一定的邏輯規則以交集(最小化)運算得到離散輸出值；另一方面，通過最大化運算合成各規則的結果。最后，利用重心法，推理出確定的離散值。這種處理過程具有非常好的保持穩定的自適應性(即魯棒性)，更加接近人類的思維方式。神經網絡提供了基于模糊系統概念的實現系統，它具有適應環境輸入數據的特點，并可以通過調整神經元之間的連接強度(權重)進行學習。雖然整個系統可能比較復雜，但可以應用遺傳算法進行優化，通過系統調整以適應環境。

神經元(neuron)是構成神經網絡系統的結構和功能的基本單位。在生物學上，神經元由一個細胞胞體(soma)和一些連接到相鄰細胞的樹突(dendritie)和軸突(axon)組成。通常樹突接受刺激信息，并向胞體傳送，經胞體整合后又軸突傳出。一個神經元的軸突與另一個神經元的樹突以突觸(synapse)的方式相互連接。神經元間的聯接強度信息(即權值)存儲在突觸中，用于估計輸入信號。這種聯接可能是受歡迎的(去極化過程)也可能是需要抑制的(超極化過程)，它的分布性質決定了神經網絡的功能。刺激信號會產生由細胞膜靜息電位去極化的局部電位，如果達到明確的閾電位水平，就會激活爆發的動作電位(脈沖)輸出。輸出的脈沖強度不依賴于刺激的強度和變化率。閾電位越低(越接近靜息電位)，則興奮性越高，閾電位越高(越偏離靜息電位)，則興奮性越低。從神經元模型可以看出：在信號輸入部分，突觸不僅要使聯接權值自適應可調，而且要具有局部信息存儲功能。在信號輸出部分，信號輸出由閾值門所控制，但輸出電壓幾乎不依賴于輸入電壓，而依賴于與細胞電位相對應的電源電壓。