[发明专利]硅基单电子神经元量子电路

说明书

技术领域

本发明涉及纳米电子学中单电子器件集成电路技术领域，尤其涉及一种硅基单电子神经元量子电路。

背景技术

纳米电子学是纳米科技的重要领域之一，是微电子学继续向微观领域的发展和延伸。目前，超大规模集成电路的特征尺寸已经进入到纳米尺度(＜100nm)范围，在CMOS器件等比例缩小的过程中，强电场效应、热效应和量子效应的影响变得越来越突出。在纳米尺度的半导体库仑岛中，库仑阻塞效应的发现，使半导体晶体管器件进入了单电子可控的时代。单电子器件已经成为纳米电子学中最为基本的元件之一。

单电子器件是通过纳米尺寸的库仑岛控制单个电子输运来进行工作的。随着纳米加工技术的发展，科学家已经可以在纳米尺度范围内控制库仑岛的尺寸和形状，以及隧穿结势垒的厚度和形状。目前在实验室已经实现了硅基单电子器件在室温条件下工作。库仑岛的空间尺寸被减小到纳米量级，导致量子限制效应的显著增强。电子隧穿通过库仑岛时，库仑岛内的电荷势能将排斥外界电子的进入。如果电子进入库仑岛所需的电荷能大于环境热能，这个电子将被阻塞。器件的栅电场通过电容耦合可以对库仑岛内的能级进行电势调制。当库仑岛内的能级位于源漏电子库费米能级构成的能量窗口时，电子将通过共振隧穿效应高穿透率地通过库仑岛。这样，控制单电子的隧穿和阻塞状态，便构成了单电子器件信息表达的基本方式。对于单电子晶体管来说，通过库仑岛的电子动量变化被显著地表现为具有分立能级特征的电流峰。对于单电子记忆存储器来说，单电子进入库仑岛可以视为存储一个电荷，流出库仑岛可以视为释放一个电荷。库仑岛在这种单电子进出的过程中，电势将具有e/C(其中C为库仑岛的整个电容)的起伏，单电子记忆存储器可以探测出这种由于单电子输运引起的库仑岛电势起伏。

单电子器件不同于微电子MOS器件的基本特征是具有超高密度集成能力和量子效应，这两个基本特征决定了单电子器件的集成方式不同于通常的微电子器件。与任何多体系统一样，超高密度集成的纳米单电子电路存在热起伏、器件性能参数起伏以及局部可靠性起伏等。传统的CMOS电路组织方式和系统设计思想将不适合纳米电子器件体系结构的要求。人工神经网络、模糊系统以及遗传算法为纳米单电子电路结构提供了有趣的研究途径。由于单电子器件具有十分精细的结构，数据处理过程仅涉及少数粒子，参数可能发生明显的波动，这种波动也会导致输出信号的起伏，因此采用具有概率意义的模糊量进行信息控制是非常必要的：一方面，模糊量集合按照一定的逻辑规则以交集(最小化)运算得到离散输出值；另一方面，通过最大化运算合成各规则的结果。最后，利用重心法，推理出确定的离散值。这种处理过程具有非常好的保持稳定的自适应性(即鲁棒性)，更加接近人类的思维方式。神经网络提供了基于模糊系统概念的实现系统，它具有适应环境输入数据的特点，并可以通过调整神经元之间的连接强度(权重)进行学习。虽然整个系统可能比较复杂，但可以应用遗传算法进行优化，通过系统调整以适应环境。

神经元(neuron)是构成神经网络系统的结构和功能的基本单位。在生物学上，神经元由一个细胞胞体(soma)和一些连接到相邻细胞的树突(dendritie)和轴突(axon)组成。通常树突接受刺激信息，并向胞体传送，经胞体整合后又轴突传出。一个神经元的轴突与另一个神经元的树突以突触(synapse)的方式相互连接。神经元间的联接强度信息(即权值)存储在突触中，用于估计输入信号。这种联接可能是受欢迎的(去极化过程)也可能是需要抑制的(超极化过程)，它的分布性质决定了神经网络的功能。刺激信号会产生由细胞膜静息电位去极化的局部电位，如果达到明确的阈电位水平，就会激活爆发的动作电位(脉冲)输出。输出的脉冲强度不依赖于刺激的强度和变化率。阈电位越低(越接近静息电位)，则兴奋性越高，阈电位越高(越偏离静息电位)，则兴奋性越低。从神经元模型可以看出：在信号输入部分，突触不仅要使联接权值自适应可调，而且要具有局部信息存储功能。在信号输出部分，信号输出由阈值门所控制，但输出电压几乎不依赖于输入电压，而依赖于与细胞电位相对应的电源电压。