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以 MOBILE 理論 理論 理論應用於新型 理論 應用於新型 應用於新型 應用於新型反相器 反相器 反相器 反相器電路 電路 電路 電路
李昱寬 李昱寬 李昱寬
李昱寬 甘廣宙 甘廣宙 甘廣宙 甘廣宙 蔡澈雄 蔡澈雄 蔡澈雄 蔡澈雄 崑山科技大學
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摘要 摘要 摘要 摘要
此篇論文是以 N 型 MOS-HBT-NDR 電路來設計 新型邏輯閘電路，利用單穩態-雙穩態傳輸邏輯閘 (monostable-bistable transition logic element，MOBILE)電路的操作原理來實現，並以 NMOS 元件來控制輸入級電路中 NDR 電路的開關動 作，進而調變整體電路的 I-V 特性曲線。所提出的 電路架構和傳統邏輯閘電路做比較，可以減少電路 複雜度與元件數等優點，並可配合 Si-based 的 CMOS 製程與 SiGe-based 的 BiCMOS 製程，將所設 計的電路，以積體電路的方式來實現。
關鍵詞 關鍵詞關鍵詞
關鍵詞：N型型型型 MOS-HBT-NDR 電路電路電路電路，，，，MOBILE，，，，
1. 前言
前言 前言 前言
目前所使用的負微分電阻元件大都使用Ⅲ-Ⅴ族 化合物半導體製作，例如砷化鎵(GaAs)、磷化銦 (InP)材料製作，其材料都具有高電子移動率等優 點，而因製作成本過高且不易與其它積體電路元件 相配合，故我們提出以金氧半場效電晶體(Metal-
Oxide-Semiconductor Field - Effect - Transistor，
MOSFET)及異質接面電晶體(heterojunction bipolar transistor ， HBT) 所 組成 之N型 MOS-HBT-NDR電 路。
負微分電阻(negative differential resistance，NDR) 元件是一個具有可摺疊電流-電壓特性(I-V) 特性 的元件，利用這個特性可以設計出更精簡的電路。
國外文獻已發表利用NDR元件的特性，可應用在邏 輯閘電路上[1]-[4]。
此篇論文的電路設計是使用單穩態-雙穩態傳輸 邏 輯 閘 (monostable-bistable transition logic element，MOBILE)電路的原理，經由適當設計電 路與元件參數，利用其特性並配合雙穩態的邏輯狀 態來實現新型電路。
2.N 型
型 型 型 MOS-HBT-NDR 電路 電路 電路 電路
圖1為N型MOS-HBT-NDR電路，三個NMOS與一
個HBT電晶體所組成，旁邊為其等效電路。圖2為 此電路的I-V特性曲線圖。
操作原理 mn1 的 gate 端與 drain 端相接在一 起，其動作像是一個二極體(非線性電阻)一樣，它 用來調變 hbt1 的輸入 base 端電壓；而 mn2 的 gate 端連接到 hbt1 的 collector 端，它的操作就像個主 動的開關。
第一段正電阻區：在這段正電阻區中我們區分 為兩段電流區域，一段為負電流區，另一段為正電 流區。當 mn1 的 gate 端所接的 Vgg電壓給定一個 大於 mn1 臨界電壓的固定正電壓，此時 mn1 工作 在飽和區，導致 hbt1 的 B-C 順偏，這時 ic1的電流 逆向而產生負電流曲線。由於 mn1 的 drain 端與 gate 端相接在一起，動作如同一個二極體， mn2 不導通，且 hbt1 的 base 極端電壓為 VGG – Vt1，則 hbt1 導通，故 ic1的電流會隨著電壓上升而上升，
因此產生正電流曲線。
負電阻區：當Vgg電壓持續增加至VDD – Vt2 > 0 時，mn2導通，此時hbt1的Vbe電壓等於mn2的Vds 電壓，由於mn1和mn2分壓，使得mn2的Vds電壓比 hbt1的Vbe電壓小，此時hbt1就截止而形成了負電阻 區。
第二段正電阻區：由於mn3的gate端和drain端相 接在一起，動作如同一個二極體(非線性電阻)，它 會在VDD – Vt3 (mn3的臨界電壓) > 0時導通，所以 產生負微分電阻的第二段正電流。我們稱為N型 MOS-HBT-NDR電路，其電路動作原理如表1所示。
圖 圖圖
圖 1. N 型型型 MOS-HBT-NDR 電路型 電路電路電路及其等效電路圖及其等效電路圖及其等效電路圖及其等效電路圖
第四屆智慧生活科技研討會論文集
Proceedings of the Fourth Intelligent Living Technology Conference (2009) 907-909. ISBN 978-957-21-7031-1
907
圖 圖圖
圖 2. N 型型型型 MOS-HBT-NDR 電路的電路的電路的電路的 I-V 特性特性特性曲線圖特性曲線圖曲線圖曲線圖
表 表 表
表 1 N 型型型型 MOS-HBT-NDR 電路電路電路電路動作原理動作原理動作原理動作原理
mn1 mn2 hbt1 mn3
第一段正 第一段正 第一段正 第一段正 電阻區 電阻區 電阻區 電阻區
飽和區 截止區 線性區
截止區
負電阻區負電阻區負電阻區
負電阻區 飽和區 線性區
↓↓
↓↓ 飽和區
線性區
↓↓
↓↓ 截止區
截止區
↓↓
↓↓ 線性區 第二段正第二段正
第二段正第二段正 電阻區 電阻區 電阻區 電阻區
飽和區 線性區 截止區 飽和區
3.MOBILE 反相器電路設計
反相器電路設計 反相器電路設計 反相器電路設計
單穩態-雙穩態傳輸邏輯閘(MOBILE)電路原 理主要是利用外加偏壓的操作原理來實現，圖3為 MOBILE反相器電路圖，原理為將兩個NDR電路串 聯，其各別的特性曲線分別為Load與Driver。並藉 由NDR2和NMOS元件串聯組成的輸入級電路，以 外加偏壓Vin控制NDR2是否導通，進而調變NDR3 (Driver)的峰值電流的大小，並且驅動這個電路，
而 產 生 轉 態 ， 此 調 變 峰 值 電 流 構 想 為 所 提 出 MOBILE反相器的最大特色。
在圖4中，當外加偏壓Vbias小於2倍峰值電壓 (peak voltage)2VP時， 將會有 一個 穩態點 (stable operation point)產生，當外加偏壓Vbias持續增加至 等於)2VP時，也將會只有一個穩態點。當外加偏壓 Vbias持續增加大於2VP時，將會有兩個穩態點(Q1 和Q2)和一個交在負電阻區的非穩態點(Q)產生，如 圖5所示的兩個穩態點，低電位的Q1為邏輯閘電路 中的Low電位，而較高電位的Q2則為邏輯閘電路中 的High電位。
圖5為MOBILE反相器電路的輸出結果。可看 出Vin輸入Low，輸出為High，當Vin輸入Low，輸 出 為 High 。 利 用 這 樣 操 作 原 理 ， 設 計 出 以 MOS-HBT-NDR電路組成的MOBILE反相器電路。
圖6為MOBILE反相器電路之負載線分析圖的 量測輸出結果。經由波形可看出會和圖4模擬圖比 較有衰減的現象產生，且單顆量測NDR1，NDR2，
NDR3都會發現到有衰減及負電阻區有波型平緩的 現象產生。
圖7為反相器電路之示波器輸出結果，並和圖4 模擬圖相比較，明顯發現到High點受到單顆NDR 衰減而輸出波形有衰減的影響，而Low點因圖6可 看出MOBILE理論下Q1交在0.3V和輸出波形為符 合結果。
圖圖圖圖 3. MOBILE 反相器電路反相器電路反相器電路反相器電路圖圖圖圖
圖圖圖 4. MOBILE 反相圖 反相反相器電路反相器電路器電路器電路之負載線分析之負載線分析之負載線分析之負載線分析圖圖圖圖
圖圖圖圖 5. 反相器電路之模擬輸出結果反相器電路之模擬輸出結果反相器電路之模擬輸出結果反相器電路之模擬輸出結果
第四屆智慧生活科技研討會論文集
Proceedings of the Fourth Intelligent Living Technology Conference (2009) 907-909. ISBN 978-957-21-7031-1
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圖圖圖圖 6. MOBILE 負載線負載線負載線負載線量測量測量測量測分析分析分析分析圖圖圖圖
圖圖圖 圖 7. 反相器電路之量測輸出結果反相器電路之量測輸出結果反相器電路之量測輸出結果反相器電路之量測輸出結果
4.Latch 現象探討
現象探討 現象探討 現象探討
數位電路應用上，自我閂鎖(self latching)特性是 很重要的需求，我們以圖3的MOBILE反相器電路 來探討「latch現象」。電路架構輸入VBIAS和VIN兩個 外加偏壓，電路輸出如圖8所示。當輸入為low時，
電路輸出會為high，輸入為high時，輸出為low。我 們發現一個現象，雖然VIN已經轉態了，還是讓輸 出結果在固定的值，直到VBIAS回到0，我們稱此現 象為「latch現象」。
圖圖圖圖 8. 以以以以 MOBILE 反相器電路探討反相器電路探討反相器電路探討 Latch 現象反相器電路探討 現象現象 現象
5. 結論
結論 結論 結論
我 們 使 用 MOS 與 HBT 的 組 合 設 計 一 個 N 型 MOS-HBT-NDR電路，並與傳統共振穿透二極體元 件(RTD)做比較，具有較佳與較廣範圍的電流-電壓 特性曲線調變性。接著利用單穩態-雙穩態傳輸邏 輯閘(MOBILE)電路的操作原理，設計MOBILE反 相器電路，並探討Latch現象。利用MOBILE反相器 電路為基本架構進而實現二位元輸入的及閘、或 閘、反及閘和反或閘的「新型邏輯閘電路」。此電 路架構可利用NMOS元件來控制輸入級電路中的 NDR電路導通，進而用來調變整體電路的I-V特性 曲線。未來將可利用此電路的特點應用在管線式加 法 器 (Pipelined Adder) 和 多 臨 界 閘 (Multi-Threshold Gates)等電路上面。
致謝 致謝 致謝 致謝
此論文相關研究工作獲國科會計畫補助經費 (NSC97-2221-E-168-045)，在此致上感謝。
參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻
[1] 劉士豪、甘廣宙、蔡澈雄、陳耀煌，“將 Λ 型 MOS-HBT-NDR 電路應用在多功能邏輯閘電路 設計”，第二屆智慧生活科技研討會，國立勤益 科技大學，96/6/1。(ISBN：978-957-21-5854-8) [2] Hyungtae KIM* and Kwangseok SEO ,
“Noninverted/Inverted Monostabel-to-Bistable Transition Logic Element Circuits Using Three Resonant Tunneling Diodes and Their Application to a Static Binary Frequency Divider, ” Japanese Journal of Applied Physics Vol. 47, No. 4, 2008, pp. 2854–2857, 2008.
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606-611, Sep. 2006.
第四屆智慧生活科技研討會論文集
Proceedings of the Fourth Intelligent Living Technology Conference (2009) 907-909. ISBN 978-957-21-7031-1
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