1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2021-26-6-491-507620.3.049.77Элементы интегральной электроникиInvestigation of Robustness of Nanoelectronic Structures Based on Resonant Tunneling ElementsИсследование робастности наноэлектронных структур на базе резонансно-туннельных элементовБондарев Андрей Владимирович БондаревАндрей Владимирович VladimirovichBondarev AndreyBondarev Andrey VladimirovichЕфанов Владимир Николаевич ЕфановВладимир Николаевич NikolaevichEfanov VladimirEfanov Vladimir NikolaevichУфимский государственный авиационный технический университет491507http://ivuz-e.ru/issues/6-_2021/issledovanie_robastnosti_nanoelektronnykh_struktur_na_baze_rezonansno_tunnelnykh_elementov/

Multi-input logic gates based on two-level logic cells MOBILE have short (picosecond) switching times and higher functionality due to the ability to implement logic functions with fewer gates. This creates good prospects for the development of ultra-high-speed FPGAs with a high degree of integration, which are required for organizing high-performance computing. However, the extremely high sensitivity of resonant tunneling elements to changes in the energies of quantum states requires an assessment of the stability of such structures to external influences in real operation. In this work, the problem of assessing the stability of nanoelectronic structures that include resonant tunneling elements is considered. The method for studying the robustness of logic cells MOBILE based on a resonant tunneling diode and an НВТ transistor was proposed, making it possible to find an external interval estimate of the output voltage of the device under study for given interval models of the initial components. The technique is based on the use of systems of topological and parametric equations written in finite increments. It was shown that the proposed decomposition principle for the initial interval model ensures the algorithmic solvability of the problem posed. A computational algorithm for calculating processes in a two-level logical cell MOBILE has been developed. The algorithm provides for step-by-step integration of interval differential equations and solution of interval nonlinear algebraic equations at each step of integration using Kaucher interval arithmetic. The obtained results of the study of processes in a two-level logic cell MOBILE create prerequisites for expanding the field of application of resonant tunneling devices in high-speed monolithic integrated circuits.

Многовходовые логические элементы на базе двухуровневых логических ячеек MOBILE характеризуются малым (пикосекундным) временем переключения и более высокой функциональностью благодаря возможности реализовывать логические функции меньшим количеством элементов. Это создает хорошие перспективы для разработки сверхбыстродействующих ПЛИС с высокой степенью интеграции, необходимых при организации высокопроизводительных вычислений. Однако чрезвычайно высокая чувствительность резонансно-туннельных элементов к изменению энергий квантовых состояний требует оценки устойчивости таких структур к внешним воздействиям в условиях реальной эксплуатации. В работе рассмотрена задача оценки стабильности наноэлектронных структур, в состав которых входят резонансно-туннельные элементы. Предложена методика исследования робастности логических ячеек MOBILE на базе резонансно-туннельного диода и НВТ-транзистора, позволяющая находить внешнюю интервальную оценку выходного напряжения исследуемого устройства при заданных интервальных моделях исходных компонентов. Методика базируется на использовании систем топологических и параметрических уравнений, записанных в конечных приращениях. Показано, что предложенный принцип декомпозиции исходной интервальной модели обеспечивает алгоритмическую разрешимость поставленной задачи. Разработан вычислительный алгоритм расчета процессов в двухуровневой логической ячейке MOBILE. Алгоритм предусматривает поэтапное интегрирование интервальных дифференциальных уравнений и решение интервальных нелинейных алгебраических уравнений на каждом шаге интегрирования с использованием интервальной арифметики Каухера. Полученные результаты исследования процессов в двухуровневой логической ячейке MOBILE создают предпосылки для расширения области применения устройств резонансного туннелирования в высокоскоростных монолитных ИС.

наноэлектронные структурырезонансно-туннельный диоддвухуровневая логическая ячейкаинтерполяционная формуластруктурно-параметрическая модельинтервальный анализвычислительный алгоритм Yamakura H., Suhara M. Proposal of bow-tie antenna-integrated resonant tunneling di-ode transmitter utilizing relaxation oscillations and its application to short-distance wireless communications // J. Infrared Milli Terahz Waves. 2018. Vol. 39. P. 1087–1111. DOI: https://doi.org/10.1007/s10762-018-0518-yFukuoka M., Asakawa K., Suhara M. Analysis of phase mode variation due to bias vol-tage in arrayed oscillators using resonant tunneling diodes integrated with bow-tie antennas // 2018 Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS-Toyama). Toyama: IEEE, 2018. P. 2461–2466. DOI: https://doi.org/10.23919/ PIERS.2018.8597876Lee J., Choi S., Lee J., Yang K. 40 Gb/s low-power 4:1 multiplexer based on resonant tunneling diodes // IEEE Trans. Nanotechnol. 2012. Vol. 11. No. 5. P. 890–895. DOI: https://doi.org/10.1109/TNANO.2012. 2204768Hu X., Feng G., Duan S., Liu L. Multilayer RTD-memristor-based cellular neural net-works for color image processing // Neurocomputing. 2015. Vol. 162. P. 150–162. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neucom. 2015.03.057Toward mobile integrated electronic systems at THz frequencies / P. Hillger, M. Van Delden, U.S.M. Thanthrige et al. // J. Infrared Milli Terahz Waves. 2020. Vol. 41. No. 7. P. 846–869. DOI: https://doi.org/10.1007/s10762-020-00699-xArea-efficient series-connected resonant tunneling diode pair as binary neuron in cellular neural network / J. Lee, S. Choi, S.-Y. Kim et al. // IEEE Electron Device Letters. 2020. Vol. 41. Iss. 9. P. 1308–1311. DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2020.3008164Lee K., Jeong Y. Temperature-dependent characteristics of a RTD-based microwave push-push oscil- lator // Microwave and Optical Technology Letters. 2018. Vol. 60. P. 803–805. DOI: https://doi.org/10.1002/ mop.31060Gamma-induced degradation effect of InP HBTs studied by Keysight model / J. Zhang, L. Cao, M. Liu et al. // Nuclear Science and Engineering. 2020. Vol. 195. Iss. 2. P. 173–184. DOI: https://doi.org/ 10.1080/00295639.2020.1798679Ткалич В.Л., Макеева А.В., Оборина Е.Е. Физические основы наноэлектроники: учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. 83 с.Investigation of switching time in GaN/AlN resonant tunneling diodes by experiments and P-SPICE models / W.-D. Zhang, T.A. Growden, D.F. Storm et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2020. Vol. 67. No. 1. P. 75–79. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2019.2955360Shin-Ya H., Suhara M., Asaoka N., Naoi M. Implementation of physics-based model for current-voltage characteristics in resonant tunneling diodes by using the Voigt function // IEICE Transactions on Electronics. 2010. Vol. E93.C. Iss. 8. P. 1295–1301. DOI: https://doi.org/10.1587/transele.E93.C.1295Dal Bosco A.K., Suzuki S., Asada M., Minamide H. Feedback effects and nonlinear dy-namics in resonant tunneling diodes // 2018 43rd International Conference on Infrared, Millime-ter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). Nagoya: IEEE, 2018. P. 1–2. DOI: https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510286Resonant tunneling diode terahertz sources with up to 1 mW output power in the J-band / A. Al-Khalidi, Kh.H. Alharbi, J. Wang et al. // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2020. Vol. 10. No. 2. P. 150–157. DOI: https://doi.org/10.1109/TTHZ.2019.2959210InGaAs/AlAs resonant tunneling diodes for THz applications: an experimental investiga-tion / S.G. Muttlak, O.S. Abdulwahid, J. Sexton et al. // IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2018. Vol. 6. P. 254–262. DOI: https://doi.org/10.1109/JEDS.2018.2797951Quintana J.M., Avedillo M.J., Nunez J., Pettenghi Roldan H. Operation limits for RTD-based MOBILE circuits // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2009. Vol. 56. No. 2. P. 350–363. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2008.925943Maezawa K., Sugiyama H., Kishimoto S., Mizutani T. 100 GHz operation of a resonant tunneling logic gate MOBILE having a symmetric configuration // 2006 Int. Conf. Indium Phos-phide and Related Materials. Princeton, NJ: IEEE, 2006. P. 46–49. DOI: https://doi.org/10.1109/ICIPRM.2006.1634108Nikodem М. Synthesis of multithreshold threshold gates based on negative differential resistance devices // IET Circuits, Devices & Systems. 2013. Vol. 7. Iss. 5. P. 232–242. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-cds.2012.0368Yao Mq., Yang K., Shen Jz., Xu C. Function synthesis algorithm based on RTD-based three-variable universal logic gates // Frontiers Inf. Technol. Electronic Eng. 2017. Vol. 18. P. 1654–1664. DOI: https://doi.org/ 10.1631/FITEE.1601730Cherkasov K.V., Meshkov S.A., Makeev M.O. Application of computer statistical expe-riment for studying resonant-tunneling diode parameter reproducibility under batch production conditions // 2018 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). Sochi: IEEE, 2018. P. 1–4. DOI: https://doi.org/ 10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501823Analysis of the eight parameter variation of the resonant tunneling diode (RTD) in the rapid thermal annealing process with resistance compensation effect / F. Zhao, Y. Wang, W. Guo et al. // AIP Advances. 2020. Vol. 10. Iss. 3. Art. ID: 035103. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5133899Resonant-tunnelling diodes as PUF building blocks / I.E. Bagci, Th. McGrath, Ch. Barthelmes et al. // IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing. 2021. Vol. 9. Iss. 2. P. 878–885. DOI: https://doi.org/ 10.1109/TETC.2019.2893040Time-domain analysis of large-signal-based nonlinear models for a resonant tunneling diode with an integrated antenna / K. Asakawa, Y. Itagaki, H. Shin-Ya et al. // IEICE Transac-tions on Electronics. 2012. Vol. E95.C. Iss. 8. P. 1376–1384. DOI: https://doi.org/10.1587/transele.E95.C.1376Accurate small-signal equivalent circuit modeling of resonant tunneling diodes to 110 GHz / R. Morariu, J. Wang, A.C. Cornescu et al. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2019. Vol. 67. No. 11. P. 4332–4340. DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2939321EM simulation assisted parameter extraction for transferred-substrate InP HBT model-ing / T. Johansen, R. Doerner, N. Weimann et al. // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2018. Vol. 10. Sp. iss. 5-6. P. 1–9. DOI: https://doi.org/10.1017/S1759078718000636Бондарев А.В., Ефанов В.Н. Принципы формирования математической модели наноэлектронных компонентов квантовых вычислительных комплексов с мемрезистив-ными ветвями // Системы управления и информационные технологии. 2020. № 1 (79). С. 4–10.Bondarev A.V., Efanov V.N. Dynamic mode of the mathematical model of an electric multipole with memresistive branches in conditions of interval uncertainty // 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 976 (1). Art. ID: 012013. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/976/1/012013Alefeld G., Mayer G. Interval analysis: theory and applications // Journal of Computa-tional and Applied Mathematics. 2000. Vol. 121. P. 421–464. DOI: https://doi.org/10.1016/S0377-0427(00)00342-3Kaucher E. Interval analysis in the extended interval space IR // Fundamentals of Nu-merical Computation (Computer-Oriented Numerical Analysis) / eds. G. Alefeld, R.D. Grigorieff. Wien: Springer, 1980. P. 33–49. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-7091-8577-3_3