逻辑栅极和逆变器

逻辑栅极和逆变器

继2024年2月28日之后，中国科学院金属研究所再发科学巨刊Nature，展示了在二维(2D)半导体垂直三维集成领域的重大突破。这种集成提供了在z轴上扩展逻辑层的可能性，为互补逻辑电路的自下而上缩放提供了关键支撑。然而，目前在二维半导体中缺乏可控的p掺杂方案，特别是对于WSe2和MoS2，这严重阻碍了互补逻辑电路的进一步发展。中山大学、北京大学、中国科学院大学、辽宁省材料研究院及山西大学的科学家们共同研究，提出了一个通过将过渡金属二硫族化合物置于范德华反铁磁绝缘体氯氧化铬上的创新方法，成功地将MoS2中的载流子极性从n型重新配置为p型，从而实现了一种稳定且无损的p掺杂方案。这一成果以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”为题，于2024年5月29日在Nature上发表。

这项研究揭示了在众多有利特性中，z维堆叠能力被认为是半导体范德瓦尔斯纳米电子学最迷人的前景之一。这种自底向上的三维vdW可积性方法，为后摩尔定律时代继续缩放晶体管提供了可能，因为硅技术接近其物理极限。传统的平面缩放策略，如从第一个平面场效应晶体管到FinFET，再到最先进的栅极全方位FET，已经达到了物理限制。在实现3D可积性方面，尽管电极的三维互连在现代硅集成电路中广泛使用，但基本的逻辑门仍局限于硅衬底表面，无法形成多层结构。其他尝试，如面对面结合两个芯片，需要极高精度对准，并且在z维度上的空间增益有限。多层3D闪存虽然存在，但不满足电路自由设计的需求。

通过将vdW半导体堆叠成3D垂直电路，研究人员展示了将二维半导体用于垂直3D集成的潜力。这些半导体具有相当大的带隙、无悬键表面、高载流子迁移率和最终尺度，使其成为理想的候选者。先进的单片3D集成电路结构预测能提供快速的层间信号传输和高效的散热，从而实现更高的集成密度。尽管在n型2D半导体的电性能方面取得了进展，但对于WSe2和MoS2等2D半导体，p掺杂策略仍然有限，包括化学掺杂、接触工程或氧化物涂层。这些方法可能存在不均匀性或载流子迁移率降低的问题，并且很少能实现三维互补逻辑的多层垂直组装。

研究人员提出了一种简单的非破坏性掺杂方法，通过vdW界面耦合实现二维半导体载流子极性的可控重新配置。实验结果显示，与通常表现为n型的MoS2、WSe2和MoSe2与少层CrOCl界面不同，这些系统地转变为p型，并表现出优异的空气稳定性。密度泛函理论计算表明，这种界面耦合引起的极性反转是电荷从TMDs转移到CrOCl的结果，随后在CrOCl表面状态发生了微妙的电荷相互作用，这可能是TMDs与具有高功函数和表面带足够大有效质量的层状绝缘体界面的普遍效应。

以MoS2为例，MoS2-CrOCl杂化材料在室温下的最大空穴迁移率约为425 cm2 V−1 s−1，开/关比超过106。研究者通过选择性地堆叠vdW栅极、介电层和半导体层的模块，构建了n和p掺杂的逻辑单元，定义为垂直反极化场效应晶体管(VIP-FETs)。这一掺杂策略为垂直制造自补充逻辑器件提供了可能，为实现半导体电路的先进3D集成和垂直缩放提供了新路径。通过这种创新方法，研究人员实现了包括垂直构建的6层vdW逆变器、14层vdW的NANDs和14层vdW的SRAMs在内的高级3D逻辑电路，证实了vdW界面耦合诱导的p型掺杂可能是设计未来垂直缩放的有效策略，以实现先进逻辑电路的超高3D集成。

逆变器图腾柱起什么作用？

逆变器图腾柱起非作用在于，图腾柱就是上下各一个晶体管，上管为NPN，c极接正电源，下管为PNP，e极接负电源，注意，是负电源，是地。两个b极接到一起，接输入，上管的e和下管的c接到一起，接输出。用来匹配电压，或者提高IO口的驱动能力。  来源于网络

逆变器的损耗是多少？

逆变器在工作过程中，其损耗大致占总功率的80%左右。损耗主要分为两部分：驱动损耗和开关损耗。驱动损耗由功率开关管的栅极特性决定，而开关损耗则与功率开关管的控制方式紧密相关。这种损耗与开关频率成正比，频率越高，损耗增长越快。当开关管在导通和关断之间切换时，若电压或电流不为零，就会产生硬开关损耗，这涉及到逆变桥、控制逻辑和滤波电路的运行。

逆变器的设计通常采用脉宽调制（PWM）技术，例如Adapter采用UC3842控制器，而逆变器则使用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围宽泛，内置了误差放大器、调节器、PWM发生器等多种功能。然而，使用方波逆变器输出的交流电质量较差，正负峰值几乎同时出现，给负载和逆变器稳定性带来挑战。它负载能力有限，通常只能达到额定负载的40-60%，且不适合带感性负载，否则可能因三次谐波的增加而损害负载的滤波电容。

逆变器原理

逆变器原理是将直流电转为交流电的一种装置，通常由逆变桥、控制逻辑与滤波电路组成。其应用广泛，包括不间断电源（UPS）、太阳能发电转换等，适用于蓄电池、干电池、太阳能电池等直流源。

逆变桥的工作原理是核心，包括半桥逆变电路、全桥逆变电路、推挽逆变电路。半桥逆变电路原理图示，V1和V2的栅极信号在周期内正反偏各半周，互补输出矩形波，幅值为Um=Ud/2。工作流程涉及电流途径变化，电流值与电感L的大小有关。全桥逆变电路原理图如图三所示，由四个开关管和四个续流二极管构成两个桥臂，可看作两个半桥电路的组合。工作过程包含电流途径变换，输出电压等于输入电压Ud。推挽逆变电路原理图如图五所示，交替驱动两个IGBT，输出矩形波交流电压，变压器匝比为1:1时与全桥逆变电路波形及幅值相同。

控制逻辑电路负责控制各个IGBT管子的开关，以实现所需波形。逻辑控制电路多样，具体实现方式不作详细讨论。在设计时，需注意选择管子，如推挽电路中V1、V2管子承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍。

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