【摘 要】
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物联网行业的发展使超低功耗器件的需求愈加强烈。隧穿场效应管（Tunnel Field-Effect Transistor,TFET）因其超陡亚阈摆幅（Subthreshold Swing,SS）成为最有前途的超低功耗器件之一。但TFET在开态电流和双极性电流等方面存在缺陷,通常采用TFET和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMO
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物联网行业的发展使超低功耗器件的需求愈加强烈。隧穿场效应管（Tunnel Field-Effect Transistor,TFET）因其超陡亚阈摆幅（Subthreshold Swing,SS）成为最有前途的超低功耗器件之一。但TFET在开态电流和双极性电流等方面存在缺陷,通常采用TFET和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS）混合的方式克服缺陷,实现电路的超低功耗。本文从TFET-CMOS混合单元电路和存储器电路两方面完成了对混合电路的探索。首先,本文设计了混合逻辑电路,实现了更低的漏电流和电路延时。但所设计的混合逻辑电路工作电压范围受限制。其次,本文设计了一种新型读写分离式非易失静态随机存储器（nonvolatile Static Random Access Memory,nvSRAM）,实现了静态能耗、写入延时、写入能耗与能量延迟积（Energy Delay Product,EDP）的大幅降低。该混合nvSRAM不足在于SRAM的操作延时远大于传统电路。最后,本文设计了一种TFET-CMOS混合1kb静态随机存储器,在保证超低静态功耗的同时满足了性能的要求。该混合存储器以牺牲面积为代价换取静态能耗和EDP的改善。仿真结果表明:结合SMIC 55nm工艺与TFET模型,所设计的混合逻辑电路与传统CMOS逻辑电路相比,漏电流降低近50%;与TFET逻辑电路相比,所设计的混合逻辑电路延时减小40%至70%,大幅提高了电路性能。所设计的新型混合nvSRAM漏电流比传统电路降低2个数量级并减小了近50%磁隧道结（Magnetic-Tunnel-Junction,MTJ）写入阶段的能耗延时积。所设计的混合存储器将静态功耗降低至77n W,同时保证了30MHz的运行速度。与传统CMOS存储器相比,混合存储器EDP至少降低25%,静态功耗降低67%。经仿真和分析,本文所设计的混合单元电路和混合存储器电路在物联网设备的超低功耗运用中有着良好的适用性。
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