Перекрытия ригель: Железобетонные Ригели перекрытия купить по цене производителя

Что такое ригель в строительстве: определение, назначение, виды

Мало кто сегодня отдает строительство дома полностью бригаде или организации. Чтобы быть уверенными в результате, необходимо контролировать работы. Для этого приходится разбираться в терминологии, техпроцессах и особенностях конструкции. В конструкции зданий часто встречаются ригеля, но они очень похожи на балки. Причем настолько, что даже не все профессиональные строители могут объяснить разницу. Что такое ригель в строительстве и чем он отличается от балки и будем разбираться. Рассмотрим также типы и виды бетонных ригелей.

Содержание статьи

• 1 Что такое ригель: определение и назначение
• 2 Чем отличается от балки
• 3 Где применяется
• 4 Каким может быть бетонный ригель
  • 4.1 Формы и виды
  • 4.2 Расшифровка маркировки

Что такое ригель: определение и назначение

Вообще, само слово «ригель» многозначное. Это и немецкая фамилия, и община в Германии, и название звезды, и еще много чего. Есть ригеля и в конструкции дома. Но многие часто затрудняются ответить, что именно это такое. Ригель в строительстве — это часть опорной конструкции здания. Представляет собой горизонтальный элемент, соединяющий вертикальные стойки. С ригелем уже стыкуются остальные элементы конструкции. То есть, строительный ригель всегда расположен горизонтально между двумя стойками (при большой длине может иметь подпорные стойки). Они могут быть вертикальными или наклонными.

Задачи ригеля — механически соединять стойки, связывая их в единую систему, придавать устойчивость конструкции. Также, связывая части конструкции, он перераспределяет нагрузку с разных частей здания, равномерно передавая ее на стойки.

Он встречается в любой части здания. Есть ригеля в некоторых типах фундаментов (свайно-ростверковый, столбчатый и другие, где есть отдельные опоры), каркасе стен, перекрытиях, кровельной системе скатного типа.

Чем отличается от балки

Что такое ригель в строительстве разобрались. Но есть еще один элемент, встречающийся в перекрытиях и кровельной системе, который часто путают с ригелем — это балки. Балки — несущий элемент в конструкции, который обычно компенсирует изгибающие нагрузки. Вот вам и разница — ригеля — часть опорной конструкции. Это рама, на которую опирают балки.

Балки могут быть наклонными и горизонтальными. Но они почти всегда работают на изгиб, поэтому должны рассчитываться, так как должны выдерживать длительные нагрузки. Ригеля — строго горизонтальные элементы и служат для механической связи стоек, а изгибающие нагрузки не несут. Поэтому их обычно не рассчитывают. Закладывают стандартные решения, с определенным запасом прочности.

Еще одно отличие ригеля и балки — материалы и форма. Балка всегда в сечении прямоугольная или квадратная. Ригеля часто имеют более сложную форму, но могут быть и квадратными и прямоугольными. Балка может быть деревянной или металлической. Ригель тоже делают из этих материалов, но может он быть еще и железобетонным. Итак, если вы видите железобетонную горизонтальную часть конструкции, которая опирается на стойки — перед вами ригель. Других вариантов нет.

С горизонтальными деревянными и металлическими элементами чуть сложнее. Надо смотреть, не приходится ли на них изгибающая нагрузка. Если нет — это ригель. В противном случае — балка. И если элемент установлен под углом — это точно балка.

Где применяется

Итак, ригель в строительстве — это горизонтальная часть конструкции, которая соединяет вертикальные или наклонные части системы:

• Соединяет стойки строительных рам.
• В каркасах объединяет между собой опоры, колонны.
• В стропильной системе — стропила.

  Так надо их хранить

Присутствует этот элемент практически в любой части здания. Для выполнения различных задач он может иметь разную форму. В самых простых случаях — это брус прямоугольного или квадратного сечения. В стропильных системах применяют именно такие ригеля. Стропильные системы собирают в основном из древесины и ригеля для них тоже делают из этого материала. Вообще, деревянные ригеля — это обычный брус, края которого могут быть оформлены в четверть или в шип.

Каким может быть бетонный ригель

Чаще всего железобетонные ригеля соединяют стойки каркаса здания. Они служат опорой для перекрытий. В таком случае бетон используется высоких марок — от В22 до В60. Выбор зависит от этажности здания, а еще от требуемой прочности конструкции. Для повышения надежности и прочности делают два пояса армирования. Арматуру применяют высокопрочную. Все нормативы прописаны в ГОСТ 13015.3. Технические условия, типоразмеры указаны в ГОСТ 18980-2015.

Формы и виды

Перемычки, которые служат опорой для перекрытий, часто называют ригелем перекрытия. По форме они бывают трех видов: с одной и двумя полками или без полок. Те, которые с одной полкой применяют по краям конструкции. На них можно уложить только край одной плиты. С двумя — ставят по центру. На две полки можно уложить перекрытие с двух сторон.

• С одной полкой (выступом) — для укладки плиты перекрытия с одной стороны. Их еще называют однополочными.
• С двумя полками (двухполочные) применяются для центральных пролетов. Они служат опорой для двух плит перекрытия с двух сторон. Есть две модификации — под обычные стойки и под колонны. Маркировка одинаковая, разные формы основания:
  • для стоек и колонн под укладку плит разного типа:
    • РДР — ребристые;
    • РДП — пустотные;
  • РКП — консольные — для опирания пустотных плит балконов.
• Бесполочные — по форме похожи на двухполочные, но полки очень малого размера. Снова-таки, есть для плит разного типа:
  • РБР — ребристых;
  • РБП — пустотных;
• Просто буква «Р» — железобетонный ригель с прямоугольным сечением.

Как видите, есть ригеля для ребристых и пустотных перекрытий. Они отличаются прочностью бетона, размерами и мощностью армирования. Форма же совпадает.

Расшифровка маркировки

В маркировке указана полная информация о железобетонном элементе. Она состоит из цифр, латинских букв и кириллицы. Обозначение разделено на блоки при помощи тире. Всего может быть три блока:

• В первом указан тип балки, его размеры в дециметрах. Кодировку типа ригеля можно посмотреть в пункте выше.
• Второй блок содержит информацию о типе использованной арматуры и несущей способности в килоньютонах на метр длины.
• Третий — информацию об использованном бетоне, если он имеет особые свойства: повышенную огнестойкость, сейсмоустойчивость, переносимость химических сред и т.д.

Вообще, тема эта обширная, надо иметь под рукой много таблиц, так как неспециалисту помнить все кодировки нереально.

• РДП — ригель двухполочный для пустотных плит. Размеры расшифровываются следующим образом: 6.56 — высота ригеля 6 дм или 60 см (600 мм), длина 56 дм, это 560 см или 5600 мм.
• 110AIV — расшифровывается как стальная арматура из стали AIV, несущая способность — 110 кН/м.
• На — буква «Н» — бетон с нормальной паропроницаемостью. Буква «а» — в конструкцию добавлены дополнительные закладные элементы.

Железобетонные ригеля должны иметь строповочные отверстия или монтажные петли для подъема при помощи техники. Продавать изделия с ненапряженной арматурой можно при прочности бетона не ниже 70% в теплое время и 85% в зимнее. Ригеля для межэтажных перекрытий должны иметь отпускную прочность не ниже 90%. В бетоне не должно быть трещин. Допускаются небольшие поперечные усадочные волосяные трещины толщиной не более 0,1 мм.

Что такое ригель в строительстве: определение, назначение, виды

Строительство – быстро развивающаяся отрасль, включающая все организационные, проектные, строительно-монтажные работы, связанные с возведением или демонтажем. В зданиях и сооружениях используют ригели. Но даже опытные специалисты не всегда могут объяснить, в чем его различие с балкой. А разница есть существенная.

Что такое ригель, и чем он отличается от балки

Конструктивное изделие в строительстве, главной способностью которого есть работа на изгиб, называется балкой. Основным материалом служит дерево или полый металл. Горизонтальное опорное изделие, соединяющее вертикальные стойки, называют ригелем. Его можно назвать горизонтальной балкой (из металла или железобетона) с важными несущими способностями, что берет на себя нагрузки в различных направлениях. Назначение ригеля одно – принимать нагрузки без развития пластических деформаций.

Ригель: определение и назначение

Строительный ригель – это несущий конструкционный элемент. Он является опорой для перекрытий. Качество изделия – основа устойчивости и проектных требований к конструкции, так как масса несущего элемента передается на вертикальные стойки.

Назначение этих опорных элементов для постройки зданий и сооружений с широкими пролетами (торговые центры, ангары) и усиления колонн в помещениях с высокими потолками.

Балки предназначены для монтажа перекрытий или покрытий. К примеру, на чердаке, конструкция которого предполагает распределение нагрузки балок на ригели.

Где применяется

Широкую сферу применения имеют ригели. С их помощью делают оконные проемы, устанавливают ограждения, широко используют в транспортной инфраструктуре для парапетов, мостов, переходов и прочих элементов развязки. В энергетике эти изделия применяют для повышения устойчивости и несущей способности мачт электропередач путем увеличения площади их фундамента. При возведении многоэтажных зданий в крупногабаритных конструкциях применяются несущие железобетонные элементы длиной 12 метров. Такой тип метража надежнее, чем стальные образцы.

Формы и виды

Их виды имеют разнообразные профили, поперечные сечения, размеры, материал. Место применения зависит от способа крепления, установленного в ригеле. Он соединяется жестким или шарнирным способом, в зависимости от предназначения постройки и ее конструкционных особенностей. Он может быть изготовлен как из железобетона, так и с металла. Металлический опорный элемент также может иметь в сечении тавр и прямоугольник, за счет чего его используют для возведения каркасных сооружений, сборки строительных лесов и установки разных изгородей.

Ригели подразделяют на типы.

1. РДП (двухполочный) – для опирания многопустотных плит на две его полки;
2. РДР (с двумя полками) – для опоры на него ребристых плит;
3. РОП (однополочный) – для опирания на одну полку многопустотных плит;
4. РЛП (с одной полкой) – применяется в лестничных клетках;
5. РОР (однополочный) – для опоры на одну его полку ребристых плит;
6. Консольный – для опирания многопустотных плит балконов;
7. РБП – бесполочный;
8. Р – прямоугольного сечения.

Элемент с одной полкой используется для опоры на него плиты с одной стороной. Например, лестничного марша или торцевого пролета (фото 1)

Модификация с двумя полками предназначена для опоры двух плит, что характерно для центрального пролета (фото 2)

Бесполочные — по форме выглядят как двухполочные, но полки очень малого размера. Для ребристых и пустотных плит (фото 3)

На прямоугольник нагрузка распределяется сверху.

Расшифровка и маркировка

Обозначать ригели нужно буквенной аббревиатурой и цифровыми обозначениями. Для примера, маркировка РДП6.56-110АІV означает, что используется ригель типа РДП, размеры которого 6 дм в высоту и 5,56 дм в длину, выдерживает напряжение 110 кН/м, имеет напряженную арматуру класса А-IV. Дополнительные характеристики указывают при необходимости: конструктивные особенности (наличие дополнительных закладных деталей), устойчивость в агрессивных условиях, сейсмическим колебаниям.

Каким может быть бетонный ригель

Так как ригели используются для соединений стоек каркаса, бетон для их изготовления должен быть тяжелым, марок от В22 до В60, в зависимости от этажности здания и требуемой прочности. Также устанавливают несколько поясов армирования для повышения прочности и устойчивости здания.

Изготавливать горизонтальные опорные элементы нужно со строповочными отверстиями или монтажными петлями. Исполнять формовку в соответствии с рабочими чертежами на ригели.

Отправлять заказчику изделия можно с отпускной прочностью не менее 70 % в теплое время года и 85 % − в холодное. Для междуэтажных перекрытий прочность должна равняться 90 % и выше. Транспортировать и хранить следует в горизонтальном положении. Подкладки в нижнем ряду устанавливать под монтажные петли или отверстия для стропов.

Первоначально проводят лабораторные исследования инертных материалов. Если требования по их качеству выполнены, приступают к забивке изделия.

Испытания ригелей проводят по ГОСТ 8829 и рабочим чертежам. Прочность бетона определяется на партии образцов, хранившихся при температуре 18-22 °C и отобранных перед формованием. Применяется также неразрушающий метод контроля прочности, предусмотрен стандартами. Контролируются также размеры и процент их отклонения, морозостойкость, водонепроницаемость, сила натяжения арматуры (для предварительно-напряженного изделия).

Конструктивные реализации поперечины памяти

Перемычка памяти соединяет несколько блоков загрузки/сохранения процессора к нескольким разделам памяти. Блоки L/S способны выдавать либо загрузка или сохранение в каждом цикле, и, как следствие, разделы памяти в идеале должен быть способен обрабатывать эти запросы с одинаковой скоростью. По порядку слов, если их n модулей L/S, каждый из которых выдает одну память доступов за такт, то кроссбар должен иметь пиковую пропускную способность не менее n слов за цикл.

На рис. 4.1 показана базовая структура этой перекладины. Каждый блок L/S жестко подключен к распределительной шине, которая растягивается по ширине чипа. Каждый раздел памяти, с другой стороны, имеет вертикальную шину с выключателем, подключенным к одному из этих горизонтальных автобус. В заданном цикле переключатели могут быть установлены так, чтобы каждый блок L/S имел прямое подключение к разделу памяти, пока каждый модуль L/S обращается к другой раздел.

Как показано на рис. 4.1, несколько комплектов провода должны быть длиной примерно 20 мм. Один из часто используемых приемов преодолевать такие длины — значит разбивать длинные провода на несколько отрезков; поскольку задержка пропорциональна длине провода ² , просто разрезание длинного провода на два сегмента может в идеале дать четырехкратную задержку меньше [Rab96]. На плане IRAM типичный провод в перекладине составляет примерно 20 мм в длину и, как следствие, представляет собой значительную сумма просрочки.

Рисунок 4.2: Иллюстрация проблем, возникающих при установке буферы внутри перекладины.

Этот прием, однако, трудно реализовать в перекладине. Рисунок 4.2 демонстрирует некоторые из основных проблем. Рассмотрим, что произойдет, если В 3 переключится out пока In 2 включен. Хотя In 3 удален из путь к выходу, инвертору B, вентили которого удерживают предыдущий стоимость от В 3 все еще управляет выводом. В результате спор может произойти между In 2 и B. Одно из возможных решений этой проблемы заключается в использовании буферов с тремя состояниями, а не инверторов. Хотя это решит эта проблема, вводится новая, так как управление теперь нужно маршрутизировать каждому тристату.

Другая трудность связана с количеством инверсий, наблюдаемых вдоль сигнальный тракт. Например, в 1 претерпевает три инверсии в своей путь к выходу, а В 2 видит только двоих. В результате доп. служебные данные должны быть реализованы в приемнике, чтобы определить, как полученный сигнал претерпел множество инверсий.

В целом размещение буфера, хотя и возможно, должно быть тщательно продумано.

Для каждого модуля L/S имеется две шины данных и адресная шина. Несмотря на то что блоки L/S не могут выдавать загрузку и сохранение в одном и том же цикле, отдельно шины данных необходимы для предотвращения коллизий в конвейере. Например, если блок L/S выдает нагрузку в цикле 1, секция памяти вернется данные несколькими циклами позже, скажем, в цикле 4. Если есть только одни данные шине, то блок L/S не может выдать сохранение в цикле 4, так как данные возвращаются из предыдущей загрузки на той же шине данных. С отдельными данными автобусы, грузы и магазины могут быть выданы в любом заданном цикле.

Если большинство обращений к памяти являются последовательными, это может быть неэффективно. для отправки отдельного адреса от каждого блока L/S. Вместо этого один адрес может быть отправлено для всех единиц L/S в каждом цикле. Поскольку данные последовательный, нужно активировать только один раздел; однако это должно быть способен передать n слов за цикл. Это может быть достигнуто путем реализации еще более широкий банк памяти, где секционная шина шире, чем одиночная память слово. При использовании этой схемы требуется только одна адресная шина для всю перекладину, уменьшая высоту перекладины. Еще одна мотивация для этого подхода было бы избежать сложности создания отдельного адрес для каждого блока L/S в каждом цикле. Однако для непоследовательных данных доступа, за цикл может быть выбрано только одно слово, что снижает пропускную способность памяти с коэффициентом n.

С другой стороны, если пиковая пропускная способность не имеет критического значения, реализация, которая не является полностью подключенной, может быть рассмотрена. Один такой реализация представляет собой сеть бабочки. В то время как полносвязная перекладина имеет n ² коммутаторов, сеть бабочки имеет только nlog(n) коммутаторов [Culler97] Сеть «бабочка» может обеспечить ту же пиковую пропускную способность, что и полносвязная перекладина при определенных перестановках, но имеет разногласия под другими, поэтому не имеет такой же пропускной способности. Если площадь была ограничена переключателями, это может быть интересной альтернативой. Однако, как мы будем показать позже, что площадь определяется только количеством проводов. Полностью подключенный поперечина имеет ровно n шин, а сеть бабочки имеет 2 (n-1), что означает что на самом деле он будет иметь большую площадь.

Одним из недостатков этого подхода с одной перекладиной является сложность конвейерной обработки. Это. Идеальным местом для установки защелок или буферов будет вдоль длинной горизонтальной линии. провода, так как они намного длиннее вертикальных проводов. Однако, поскольку пути сигнала меняются в каждом цикле, невозможно узнать, является ли сигнал пройдет через любую заданную точку на горизонтальных проводах. Следовательно защелки пришлось бы ставить возле стыка вертикали и горизонтали проводов, и весь длинный провод все равно нужно было бы пройти за один проход. цикл. Размещение защелок в середине перекладины облегчило бы Эта проблема; однако для этого потребуется маршрутизация питания, заземления и часов. сигналы, глубоко в перекладину, тем самым увеличивая площадь перекладины.

Другой подход показан на рисунке 4.3. В этом случае перекладина представляет собой только ширину векторной единицы. — приблизительно половина ширины чипа, или 10 мм. Результаты Затем поперечины жестко подключаются к горизонтальной шине, по одной на каждый модуль L/S. Секции памяти жестко подключены к одной шине. Каждый раздел памяти теперь требуется иметь n портов ввода-вывода, по одному подключенному к шине для каждого L/S. Ед. изм. Эта схема может хорошо работать с одной адресной шиной, которая также требует N портов памяти. На каждом порту ввода/вывода имеются буферы с тремя состояниями, которые управляют слушает ли секция памяти какие-либо из шин или управляет ими. Например, приемники разделов памяти могли быть включены, если часть битов адреса соответствует идентификационному номеру раздела.

Еще одним преимуществом этого подхода является то, что его можно легко конвейеризировать. Защелки можно вставить между малой перекладиной и двухточечной шины, лишь минимально увеличивая площадь перекладины, а также избегая проблема маршрутизации тактовых сигналов в массив кроссбаров.

Кроме того, эта реализация также может снизить энергопотребление. Обратите внимание, что самое длинное расстояние, которое любой сигнал пройдет по горизонтальным шинам, равно с одной стороны малой перекладины на противоположную сторону фишки. За чип 20 мм и перекладина 10 мм по центру чипа, это расстояние 15 мм. В среднем сигналы проходят всего 7,5 мм; Тем не менее водители всегда должны заряжать автобус на всю ширину 20 мм. Поскольку Блок L/S всегда будет знать, посылает ли он сигналы влево или вправо, или получая сигналы слева или справа, мы можем разбить автобус в каждую проводную коммутационную точку и заряжать только половину шины. Используя это схеме, в среднем каждому драйверу нужно провести всего 10 мм провода, что уменьшить среднюю мощность вдвое.

Хотя эта схема возможна и с большой перекладиной, требуют, чтобы сигнал проходил через два переключателя вместо одного, что влияет задерживать. Кроме того, каждый управляющий сигнал должен был бы управлять три раза, как много переключателей.

Еще одна проблема одиночной перекладины Рисунок 4.1 заключается в необходимости маршрутизации управляющих сигналов на все коммутаторы. С сигналы управления исходят из блоков L/S, если данные поступают из раздел памяти, и переключатель через который она проходит тоже рядом с памятью разделе, то данные должны ждать, пока управляющий сигнал распространится вниз высота перекладины до включения переключателя. Эту проблему можно решить, поместив шины нагрузки близко друг к другу. к векторному блоку, а шины Store рядом с разделами памяти, тем самым перекрывая время распространения управляющего сигнала с сигналом данных время распространения.

Другой подход показан на рисунке 4.4. В этой реализации управляющие сигналы не маршрутизируются глобально, но вместо этого генерируются локально. Это делается в каждой точке переключения с помощью декодирование соответствующих адресных битов и, если есть совпадение, активация буфер с тремя состояниями, который принимает входящие данные, поступающие на M2, и переключается его на исходящую линию M1.

Рис. 4.4: Системная схема самотрассирующегося ригеля. В В каждой точке переключения часть адресных битов декодируется для определения гонят ли входящие данные на исходящую линию.

Эта конструкция решает несколько проблем, присутствующих в других конструкциях. обсуждалось до сих пор. Во-первых, буфер с тремя состояниями эффективно ломает автобус, тем самым уменьшая общую задержку. Хотя размещение буферов в точки переключения могут быть не оптимальными, общая задержка все же была найдена улучшить на несколько наносекунд. Это помимо того, что буфер с тремя состояниями также предоставляет «свежий» сигнал для управления уходящий автобус.

Кроме того, при использовании буфера с тремя состояниями в качестве переключающего элемента на пути прохождения сигнала можно исключить. Хотя диффузионная емкость проходного затвора незначительна по сравнению с полной емкостью автобуса (таблица 4.1), доп. сопротивление обычно в три раза больше, чем у шины, для проходных ворот минимального размера.

Таблица 4.1: Сравнение сопротивления и емкости один 20-мм провод шины и проходной шлагбаум минимального размера.

Это дополнительное сопротивление увеличивает постоянную времени RC провода. в три раза больше, чем у собственного провода RC, и, следовательно, провода к значительно большей задержке. Как правило, буфера располагаются возле проходных ворот. избежать этой проблемы; однако, как упоминалось ранее, конструкция эта перекладина не допускает произвольного размещения буферов.

Наконец, поскольку управление для каждого трисостояния генерируется локально, глобальный управляющие сигналы и возникающие в результате накладные расходы не нужны. Более того, в отличие от одной большой перекладины, рассмотренной ранее, управляющий сигнал поступает на коммутатор одновременно с сигналом данных. Хотя данные по-прежнему должны ждать, пока элемент управления не декодирует и не активирует три состояния, это меньше, чем задержка управления, видимая большой перекладиной.

С другой стороны, у этой реализации есть один главный недостаток, а именно площадь. Это обсуждается в следующем разделе.

4.4.1 Самостоятельная маршрутизация Переключатели

Рисунок 4.5: Возможная компоновка ядра самотрассировки перекладина. Здесь показаны два инвертора, один крайний слева, а другой крайний справа. Эти инверторы обрамляют четыре буфера с тремя состояниями, расположенные в центре диаграммы.

Дополнительная площадь, необходимая для самотрассирующегося ригеля, появляется потому, что Линии M2 в основной цепи, показанные фиолетовым цветом на рисунке 4.5, нельзя размещать на минимальном расстоянии. На самом деле эти строки это не адреса или линии данных, а питание и земля. Несмотря на то что размеры транзисторов могут быть легко увеличены без ущерба для сети M2, эти линии снабжения не могут быть легко перенаправлены.

Эта структура мозаична для создания больших массивов, как показано ниже на рисунке. 4.6.

Рис. 4.6: Самофрезерующаяся перекладина 16x16b. Входящие данные путешествует по фиолетовым линиям M2, а затем переключается на синие линии M1. буфером с тремя состояниями.

В дополнение к буферу с тремя состояниями также необходимо разместить декодер внутри массива. Чтобы свести к минимуму влияние вставки декодера, была вставлена ​​одна NAND с тремя входами, чтобы соответствовать мощности подключения декодера к буферам с тремя состояниями. Это проиллюстрировано на рисунке 4.7. Обратите внимание, что путем маршрутизации питающие рельсы через центр массива, можно сделать NMOS и PMOS настолько велики, насколько это необходимо, без ущерба для линий M2. Более того, поскольку декодеры хорошо вписываются в структуру, их можно легко перемежаются между буферами, чтобы обеспечить более быстрое и равномерное привод к буферам с тремя состояниями.

Рисунок 4.7: Элемент И-НЕ с тремя входами и одним инвертором (слева) показан подключенным к буферу с тремя состояниями (справа).

Используя вентиль И-НЕ с тремя входами, можно получить восемь различных местоположений. можно расшифровать. Один инвертор показан вместе с вентилем И-НЕ на для генерации дополнения одного из адресных битов; Например, адрес «110» требует инверсии последнего бита, т. е. «0», если в качестве декодера должен использоваться логический элемент И-НЕ. Как показано в рис. 4.7, дополнительные инверторы могут быть легко вставляется.

В целом добавленная сложность декодера и буферов с тремя состояниями была обнаружено увеличение общей площади всего массива перекладин примерно на 13%.

4.4.2 Шлюз Переключатели

Рис. 4.8: Четыре переключателя проходных ворот. Входы и вход управления на М1 вверху. Выходы выходят внизу в M2. Позже они жестко закреплены к M1 и направляется к нижней части перекладины. Входы продолжаются на M1 до переключатели на других горизонтальных шинах.

Передаточные ворота использовались в качестве переключателей для всех перекладин, за исключением для реализации самомаршрутизации. Фигура 4.8 показано расположение четырех переключателей в ряд. Входы и управление сигналы для переключателя, показанные синим цветом, направляются вертикально в M1. выходы подключены к горизонтальным фиолетовым проводам М2. Они работают по ширине перекладины и, в какой-то момент, жестко подключены к M1 и, наконец, до нижней части перекладины. Обратите внимание, что M2 можно проложить над коммутаторами. тем самым делая стоимость площади коммутатора равной нулю. Высота переключателей не критична, так как только n переключателей должны располагаться вдоль вертикального провода. Ширина перекладины фиксированная либо по ширине блока вектора, либо по ширине чипа; следовательно, площадь перекладины не чувствительна к размеру переключателей. Однако количество секций определяется размером переключатели. Каждый порт ввода-вывода из раздела памяти должен быть сопоставлен с одним переключатель проходных ворот; как следствие, количество портов ввода-вывода и, следовательно, количество разделов памяти, оно ограничено шириной переключателей. Если предположить, что этот предел не достигнут, то площадь перекладины определяется только по количеству горизонтальных проводов и минимальному расстоянию между ними.

На рис. 4.9 показан 64-битный, Перекладина 4 x 4 и путь, который должен пройти сигнал от входа к выходу. Входы поступают сверху. Если переключатель замкнут, сигнал будет направляться горизонтально по проводам metal2, пока не попадет жесткое соединение, где оно проходит вертикально по металлическим1 проводам к выходу. Если переключатель разомкнут, входной сигнал продолжается вниз по вертикали до следующей точки пересечения. Ровно один из переключателей в столбец закрывается сразу.

Рисунок 4.9: 64-битная перемычка 4 x 4. Входы поступают в вверху, а выходы внизу. Красная линия показывает путь к данным сигнал. Он направляется вниз, пока не коснется замкнутого выключателя, а затем горизонтально. до тех пор, пока он не упрется в жесткое соединение, а затем вертикально в нижнюю часть перекладина.

Таблица 4. 2: Возможное количество разделов памяти без влияния на площадь перекладины

		Размер калитки		Самостоятельная маршрутизация (буфер с тремя состояниями)
		5x мин	10x мин
Количество переключателей на микросхеме		8100	6600	2896
# 64-битных шин		126	100	45
# из секций на чипе	2 порта	63	50	22
	3 порта	42	33	15
	5 портов	25	20	9
	9-портовый	14	11	5

Переключатели

Чтобы минимизировать высоту перекладины, общая ширина коммутаторы должны соответствовать общей ширине портов ввода-вывода разделы памяти. Если ширина переключателя фиксирована, мы можем вычислить сколько секций может поместиться на чипе без увеличения высоты перекладины. Например, если ширина одного переключателя составляет 5 мкм, 4000 переключателей могут поместиться по ширине чипа без увеличения высота перекладины. Если в каждой секции по три 64-битных порта (2 порта данных и 1 адрес), то на чипе может разместиться 20 секций для совпадения высоты тона. переключатели и не увеличивайте высоту перекладины. Стол 2 показано, сколько секций может поместиться на чипе с разными переключателями, для секций памяти с 2-мя портами (1 данные, 1 адрес), 3-портами (1 Load, 1 магазин, 1 адрес), 5 портов (n=4 данных, 1 адрес) и 9порты (n load, n магазин и 1 адрес). Потребуются 5-портовые или 9-портовые секции. для небольшой перекладины с шиной, для которой требуется один порт на единицу L/S.

Перекладина

Если ограничить количество секций в соответствии с этой таблицей, площадь перекладины будет просто общая ширина автобусов, умноженная по минимальной высоте. Большая перекладина тянется через все 20 мм чипа. Он имеет площадь 2,82 мм ² на 64-битную шину. небольшая перекладина шириной всего 10 мм, но каждая шина также тянется поперек ширина чипа так, чтобы его общая площадь составляла 4,2 мм ² на 64-битная шина. Самотрассирующаяся перекладина увеличивает площадь одинарной перекладины на 13 %. поскольку силовые и заземляющие рельсы теперь должны быть проложены горизонтально в поперечину. Он имеет площадь 3,16 мм ² на 64-битную шину.

Драйверы

Площадь драйвера с малым ходом 1000 мкм ² . Площадь 64 драйвера — это всего 0,064 мм ² или 2,2% от общей площади перекладины. Размер 64 полноповоротных инверторов, которые в 32 раза больше минимального размера, составляет 0,015. мм ² или 0,5% от общей площади.

На рис. 4.10 показаны критические путь через перекладину. Сигнал управления возникает в векторе единиц и должен пройти высоту перекладины до переключателя. Данные берет начало в разделе памяти и должен перемещаться горизонтально, половина ширина чипа плюс половина ширины блока вектора, а затем по вертикали высота перекладины. Для четырех блоков L/S, 64 бита на шину и отдельные адрес, загрузка данных и шина хранения данных, имеется 768 горизонтальных проводов в перекладине, что дает высоту примерно 2 мм. Это дает высота 768*минимальный интервал. Для стружки шириной 20 мм и стружки шириной 10 мм. единица вектора, общее расстояние по горизонтали составляет 15 мм.

Часто цитируемым показателем качества является произведение энергии с задержкой (EDP). Ниже, на рис. 4.11 — график демонстрируя влияние на продукт задержки энергии как размер Драйвер и переключатели разные. Хотя данные здесь приведены для небольшая перекладина, форма кривая применима ко всем реализациям, представленным в этой статье.

Рисунок 4.11: Моделирование произведения энергии и задержки для малой перекладины размеры драйвера и переключателя или проходных ворот различаются. Каждый из них размеры приведены к минимальному размеру.

Первое, на что следует обратить внимание, это то, что EDP уменьшается по мере увеличения размеров драйверов. увеличены. Хотя это может показаться нелогичным, как упоминалось выше, шина представляет собой большую емкостную нагрузку; в результате сигнальный переход времена медленные для меньших водителей. Это приводит к тому, что драйверы, инверторы в этом случае провести дополнительное время в режиме прямого тока, тем самым увеличение общей стоимости энергии. Нагляднее это видно на рисунке 4.12, на котором показана зависимость энергии от задержки для одного драйвера. Заметь увеличение размера драйвера с минимального размера примерно до 10 раз минимальный размер улучшает как энергию, так и задержку. За пределами этой точки энергия увеличивается очень быстро для больших драйверов из-за дополнительной емкости водителей.

Рисунок 4.12: Энергия и задержка для малой перекладины. Водитель размер варьируется от 1x до 100x минимального размера, в то время как размер переключателя фиксирован. в 4х минимальном размере. Минимум возникает при размере драйвера 10x.

Помимо изменения размера драйвера, задержки и энергии также можно улучшить, увеличив размер переключателя проходных ворот. В качестве упоминалось ранее, дополнительная емкость более крупного устройства имеет минимальное влияние на время задержки. Снижение сопротивления, с другой стороны, является довольно значительным. Это показано на рисунке 4. 13.

Рисунок 4.13: Смоделированное среднее сопротивление проходного переключателя , один NMOS и один PMOS, так как размер обоих транзисторов нормализован к минимальному размеру переключателя, разнообразны.

По мере увеличения ворот сопротивление уменьшается. Поскольку внутренний сопротивление шины примерно 1 кОм, подбирая переключатель по сопротивлению ниже этого значения производительность существенно не повышается. Этот эффект хорошо видно на рисунке 4.11. Обратите внимание, что EDP уменьшается по мере увеличения размера проходных ворот. от минимального размера; дальше этого момента, однако, только небольшие улучшения видимы.

Таким образом, изменив размеры драйверов и переключателей, можно возможность значительно варьировать ЭДП; однако оптимальная точка может не быть реалистичной точкой. Из данных, представленных на рисунке 4.11 найдена оптимальная точка, соответствующая ЭДП 35 пДж*нс. для размера драйвера, в 100 раз превышающего минимальный размер. это явно не реалистично, особенно если учесть, что потенциально может быть более 700 таких водителей. С другой стороны, если позволить EDP ​​удвоиться, размер драйвера уменьшается в 12,5-8 раз по сравнению с минимальным размером.

Таблица 4.3: Результаты моделирования различных реализаций поперечины

	Большая перекладина		Перекладина малая с шиной		Самоходная перекладина
	Полноповоротный автобус	Низкоповоротный автобус	Полноповоротный автобус	Низкоповоротный автобус	Полноповоротный
Задержка (нс)	7,9	9,5	7,7	10,0	6,0
Энергия на переход (пДж)	52,0	30,7	65,2	47,2	54,3
Статическая мощность (нВт)	1,3	65,2	2,5	17,7	5
Устройство задержки энергии (10 -21 Дж)	411	292	502	472	326
Площадь на 64-битную шину (мм 2 )	4,22		2,82		3,16
Область драйвера на 64 бита (мм 2 )	. 015	.064	.015	.064	.015

Как и ожидалось, драйверы с малым ходом значительно уменьшили энергию на переход. Для одной большой перекладины экономия составляет 70%, а для маленькой поперечина и шина, экономия всего 38%, так как реализована только шина с малошумными драйверами. Реализация с низким свингом составляет всего около 20-30%. медленнее, что дает гораздо более низкий EDP.

Комбинированная перекладина и шина потребляют больше энергии, чем одинарная перекладина. Реализация разделенной горизонтальной шины не могла полностью компенсировать штраф за наличие двух комплектов автобусов. Однако такой подход может быть необходимо, если время цикла требует конвейеризации. Самоходная перекладина был значительно быстрее, чем другие, из-за добавленного буфера в середине перекладины. Если этот штраф по площади может быть минимальным, имея водитель внутри перекладины должен быть хорошей альтернативой.

Перемычка на квантовых точках с сублинейным масштабированием межсоединений при криогенной температуре

Мультиплексирование с перемычкой и крио-КМОП

Наша экспериментальная установка (рис. 1а, схема) состоит из перемычки многозатворных полевых транзисторов и крио- Схема мультиплексирования CMOS. В основе перекладины находится элементарная ячейка, содержащая один полевой транзистор (обозначен черной рамкой). Полевой транзистор состоит из накопительного затвора (AG, синий), двух барьерных затворов (BG, зеленый), перпендикулярных AG, и омических контактов (красный) по обе стороны от AG. Электрический транспорт через полевой транзистор достигается за счет накопления канала двумерного электронного газа (2DEG), определенного в AG, и между омическими элементами истока и стока с использованием напряжений, подаваемых на AG. С помощью БГ мы формируем туннельные барьеры, способные настраивать транспорт в одноэлектронный режим.

a Схематическое изображение перемычки с квантовыми точками, соединенной со схемой управления крио-CMOS-мультиплексированием. Показана подгруппа из 3   × 3 элементарных ячеек, в которых размещены полевые транзисторы с несколькими затворами (FET) (верхняя панель), с чередующимися областями имплантатов для омических контактов исток / сток ( n ⁺⁺ , красный), ряды накопительных ворот (AG, синий) для определения проводящего канала и столбцов барьерных ворот (BG, зеленый) для настройки транспорта в одноэлектронный режим. Индексы i и j соответствуют строкам AG и парным столбцам BG в массиве перекладин. Мультиплексоры Cryo-CMOS на печатной плате (нижняя панель) используются для маршрутизации смещения напряжения и выбора нужной строки AG и столбца BG, тем самым создавая уникальный путь тока (желтая стрелка) через одну элементарную ячейку (обозначенную черной рамкой). ), состоящий из одного AG и двух BG и идентифицируемый парой индексов ( i ,  j ). При линейном увеличении количества проводов и переключателей количество измеряемых полевых транзисторов увеличивается квадратично. b Микрофотографии четырех полевых транзисторов, сделанные с помощью растрового электронного микроскопа (СЭМ) с максимальным изменением ширины AG W и расстояния между BG L . Эти полевые транзисторы расположены в четырех углах поперечной пластины 36 × 36 электродов, изготовленной на пакете ²⁸ Si/SiO ₂ . AG и BG представлены синим и зеленым цветом соответственно. c Два полевых транзистора с общими барьерными затворами с расширением затвора для облегчения отрыва. d СЭМ с уменьшенным масштабом нескольких элементарных ячеек, включая имплантированные омики, показанные красным. e Оптическое микроскопическое изображение перекладины с 648 многозатворными полевыми транзисторами и 1296 пересечениями между AG и BG с контактными разветвленными линиями.

Полноразмерное изображение

Полевые транзисторы, обсуждаемые в данной работе, изготовлены на изотопно-обогащенном пакете ²⁸ Si/SiO ₂ , нанесенном на 300-миллиметровые кремниевые пластины в промышленной КМОП-фабрике ²² с тепловым покрытием толщиной 10 нм. SiO ₂ оксид. Устройство изготовлено в академической чистой комнате с помощью электронно-лучевой литографии и электронно-лучевого испарения. Первый р ⁺ имплантирован для создания омиков. Затем изготавливаются ЗЗ Ti/Pd толщиной 20 нм. Затем слой Al ₂ O ₃ толщиной 14 нм осаждается методом атомно-слоевого осаждения, который изолирует барьерные затворы от Ti/Pd AG толщиной 40 нм. Один и тот же набор материалов использовался для изготовления отдельных устройств с квантовыми точками ²³ и кубитов ⁹ , и понимание единообразия является ключом к масштабированию за пределами этих устройств. Хотя в нашей демонстрации используется Si-MOS, конструкция поперечины может быть адаптирована к другим наборам материалов в режиме накопления и, таким образом, совместима с ведущими платформами для полупроводниковых квантовых технологий. Схемы затворов четырех полевых транзисторов с разной шириной АГ W и расстояние между BG L изображены на микрофотографиях первого сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) на рис. 1b.

Элементарные ячейки в поперечине, идентифицируемые парами индексов ( i ,  j ), имеют общие затворы и омические контакты с соседними элементарными ячейками. На рис. 1c-e показаны увеличенные микрофотографии поперечины с ложной окраской, которые выделяют общие затворы и омики. Каждая строка элементарных ячеек ( i , *) имеет один и тот же AG, а каждый столбец (*,  j ) разделяет свои две BG. Вместо этого два омических контакта являются общими для всех элементарных ячеек и расположены вверху и внизу перекладины. Чтобы обеспечить независимую работу каждой элементарной ячейки, омические контакты протянуты между каждым вертикальным столбцом элементарных ячеек, чередуя верхние и нижние омические контакты. На рис. 1e показано изображение под оптическим микроскопом всей изготовленной сетки, которая содержит в общей сложности 36 AG и 36 BG, то есть имеет 1296 пересечений затвора и 648 элементарных ячеек на полевых транзисторах. Предполагаемый ток через общие омики и одиночную элементарную ячейку показан желтой стрелкой на рис. 1а. Перекладина редкая, чтобы предотвратить электрические короткие замыкания между соседними удлинителями имплантата истока и стока из-за боковой диффузии имплантата, с минимальным расстоянием между имплантированными областями 7,5 мкм.

Благодаря этому подходу с поперечными стержнями можно исследовать и оценивать различные конструкции элементарных ячеек, вводя дополнительные различия в конструкции по всей сетке. Здесь мы разработали каждую элементарную ячейку с уникальной комбинацией ширины Ag W = 30+3 ⋅ I нм и расстоянием между BGS L = 30+6 ⋅ J нм, с I = 0, 0, 0, …, 35 и j  = 0, …, 17. В результате оба W и L находятся в диапазоне от 30 до 130 нм, что является типичным размером для квантовых точек и одноэлектронных транзисторов (ОЭТ) в Si- МОП, Si/SiGe и Ge/SiGe ^9,24 . На рис. 1b показаны полевые транзисторы в четырех углах сетки с крайними вариациями W и L .

Схема управления, схематически изображенная на рис. 1а, необходима для выбора тестируемой элементарной ячейки и увеличения количества линий, доступных при криогенных температурах. Перекладина и схема управления крио-CMOS размещены на отдельных печатных платах, соединенных гибким кабелем для обеспечения модульности и быстрого обмена образцами. Обе печатные платы охлаждаются до базовой температуры 1,7 К во встроенном криостате с регулируемой температурой. Схема содержит классические КМОП однополюсные двухпозиционные переключатели, и ее конструкция основана на предыдущей работе ²¹ , где каждая входная клемма подключена к образцу, а выходные клеммы используются для подачи или измерения напряжения с помощью оборудования, работающего при комнатной температуре.

Ключевым отличием от предыдущей работы ²¹ является добавление независимых групп переключателей. Выходы сдвигового регистра разделены на две отдельные группы, предназначенные для независимого управления двумя категориями вентилей. В нашем случае мы разделяем горизонтальный AG и вертикальный BG. Поскольку каждая элементарная ячейка содержит один AG и два BG, каждый выходной бит по горизонтали и вертикали должен управлять как минимум 1 и 2 переключателями соответственно. Количество элементарных ячеек в ригеле с N переключателей максимизируется, когда отношение переключателей для накопительных ворот к барьерным составляет 1:1, что дает N ² /8 элементарных ячеек. Наша реализация платы мультиплексора использует 72 переключателя для адресации 36 AG и 18 пар BG, что дает 648 элементарных ячеек. Чтобы в будущем можно было использовать более совершенные элементарные ячейки, каждый горизонтальный и вертикальный выходной бит управляет более чем 1 и 2 переключателями соответственно за счет постоянного количества дополнительных линий при комнатной температуре. Заземляя дополнительные элементы, выбранные теми же битами, которые не вносят вклад в тестируемую элементарную ячейку, можно избежать нежелательных путей тока через другие элементарные ячейки, и установка может работать, как показано на рис. 1а. Благодаря предложенной конструкции с общими затворами и омическими сопротивлениями все выбранные полевые транзисторы в каждой строке (столбце) имеют одинаковые накопительные (барьерные) напряжения затвора и могут быть измерены как параллельная цепь. Однако для целей сравнения полевых транзисторов и сбора статистики отдельные полевые транзисторы выбираются и измеряются по отдельности в следующем анализе. Поскольку переключение выполняется исключительно между измерениями, потребляемая мощность мультиплексора 9 зависит от частоты переключения.0037 21 никогда не беспокоит.

Для выбора элементарной ячейки и обеспечения протекания тока от омических элементов стока к истоку через 2DEG на один AG и на одну пару BG подается положительное напряжение, так как изготовленная поперечина предназначена для работы в режиме накопления. Ток может протекать только через элементарную ячейку на пересечении этих вентилей, поскольку все остальные невыбранные вентили, связанные с другими ячейками, заземлены. Заземленные ЗГ прерывают 2ДЭГ благодаря экранированию электрического поля, т.к. эти вентили находятся под АГ. Таким образом, элементарная ячейка может быть включена и отключена с помощью AG и BG соответственно без помех от тока, протекающего через 2DEG в любой другой элементарной ячейке.

Работа полевого транзистора и его характеристика

На рис. 2а показан пример таких измерений отдельного полевого транзистора в поперечине и то, как извлекаются связанные с ним ключевые показатели при Тл  = 1,7 К. Сначала мы определяем пороговое напряжение включения В _— путем измерения тока через полевой транзистор I _SD в зависимости от напряжения АГ В _a , в то время как обе BG поддерживаются постоянными. напряжение В _b  = 2,7 В. Это значение В _b установлено выше максимального ожидаемого напряжения отсечки В _по сети, чтобы избежать сужения канала, но достаточно низкое, чтобы свести к минимуму накопление под BG. Затем В _по автоматически извлекаются путем нахождения напряжения, при котором кривая преодолевает текущий шумовой порог 100 пА. Аналогично определяем напряжения отсечки В _по путем измерения I _SD в зависимости от В _{b, левый} и В _{b, правый} независимо, в то время как другой BG поддерживается на уровне 2,7 В. AG поддерживается на 1 В выше ранее определенного В от _до для обеспечения полностью сформированного канала, что позволяет сравнивать полевые транзисторы V _po с разными V _до . Значения для В _по снова могут быть оценены автоматически через пороговые значения тока, которые установлены на уровне 20% от максимального тока для учета полевых транзисторов, в которых ток не достигает 0 сразу после отсечки. Этот эффект вызван нежелательным протеканием тока под другим барьером, происходящим из-за перекрытия с омическим сопротивлением на одной стороне перекладины. Кроме того, полевые транзисторы с нечеткими кривыми отсечки не учитываются в дальнейшем анализе. Как и ожидалось, исходя из конструкции полевого транзистора, V _po  <  V _до и кривые отсечки более острые, чем кривые включения из-за меньшего расстояния от ЗЗ до 2DEG и меньшей площади 2DEG под ЗЗ.

a Ток исток-сток I _SD через выбранный полевой транзистор, измеренный при Тл  = 1,7 К в зависимости от напряжения на затворе накопления В _a с фиксированными барьерными напряжениями В _b  = 2,7 В (синяя линия). Пороговое напряжение включения В от _до обозначено черным крестом. Этот же транзистор измеряется как функция В _{b, слева} и В _{b, справа} при 1 В выше В _до (красные и зеленые линии), с черными крестами, обозначающими отсечку напряжения В _по . б I _SD в зависимости от смещения исток-сток В _SD и В _a с фиксированным (штриховые белые линии), из которых можно извлечь зарядную энергию E _C  = 8 мэВ и плечо рычага α  = 0,2 эВ/В. Цветные карты всех измеренных V _по ( c ) и V _po ( d ) в сетке квантовых точек различной ширины W и длины L в зависимости от местоположения в сетке, где каждый прямоугольник представляет элементарную ячейку FET в массиве. Каждая ячейка в d разделена на две части для обозначения значений V _po,left и V _po,right .

Изображение полного размера

В качестве доказательства принципа мы показываем, что полевой транзистор с несколькими затворами поддерживает SET за счет снижения напряжения BG, чтобы отрезать накопленный канал и сформировать туннельные барьеры. Кулоновские алмазы проявляются в спектроскопии смещения (рис. 2b), и из высоты и ширины кулоновского алмаза мы извлекаем типичную зарядную энергию E _C  = 8 мэВ и плечо рычага α  = 0,2 эВ/В. Хотя E _C , вероятно, недооценен по сравнению с квантовыми точками с небольшим количеством электронов, ожидается, что результаты будут коррелированы. Эти метрики полезны для характеристики и оптимизации пригодности материала для изготовления спиновых кубитов. Здесь мы сосредоточимся, в качестве примеров возможной рутинной характеристики, на статистических измерениях перекладины, которые могут быть включены в быстрый цикл изготовления-измерения.

Повторяя измерения включения и отсечки, как показано на рис. 2а, для всех полевых транзисторов поперечины, мы получаем цветные карты V _до и V _po , визуализированные на рис. 2c , d в соответствии с физическим расположением выбранной элементарной ячейки в поперечине. Перекладина достигла 100% выхода, что означает, что все 648 полевых транзисторов были включены и отсечены при Тл  = 1,7 К, из которых 610 имели отсечки, которые были достаточно резкими для дальнейшего анализа. Такое большое количество включений и отсечений полевых транзисторов позволяет проводить статистический анализ, чтобы определить, как на эти напряжения влияют размеры затвора, и количественно оценить однородность материала и изготовления в различных масштабах длины. На рис. 2с мы видим четкий вертикальный градиент возрастающих напряжений включения в направлении нижней части сетки, вызванный геометрическими вариациями в конструкциях элементарных ячеек.

Примечательной особенностью графика отсечки на рис. 2d являются вертикальные линии одинаково низких напряжений отсечки, расположенные на нечетных BG (11, 23, 27), соответствующие правым барьерным затворам полевых транзисторов. Мы предполагаем, что этот эффект возникает из-за несовершенства изготовления барьеров. Кроме того, работа прибора также вносит свой вклад в асимметрию измерений. Поскольку отсечка правого барьера измеряется последней, на это измерение больше всего влияет любая нестабильность устройства, такая как гистерезис. Благодаря чередующейся омической конструкции устройство устойчиво к локальным ошибкам, таким как дефекты изготовления, разрывы затвора или короткие замыкания между слоями затвора, которые могут препятствовать формированию 2DEG. Вместо невозможности измерения больших квадратичных сечений поперечины последствия ограничиваются линейной потерей измеряемых элементарных ячеек вдоль строки или столбца, а остальные элементарные ячейки не затрагиваются. Кроме того, различные размеры полевых транзисторов мало влияют на напряжения отсечки, за исключением случаев, когда W  < 50 нм, расположены в нижних 7 рядах сетки. Поскольку позиционная дисперсия больше, чем тенденции, вызванные различиями в конструкции большинства элементарных ячеек, можно оценить единообразие масштаба устройства на шкале длины до 230 мкм.

Геометрия ворот и исследование однородности

Корреляцию между конструкцией устройства и поведением можно проанализировать на нашем устройстве, поскольку поперечная планка включает различия в геометрии ворот в каждой элементарной ячейке. Хотя расстояние между барьерами варьировалось, на рис. 2c, d не видно горизонтального градиента, что указывает на то, что этот параметр не оказывает существенного влияния на включение или выключение. Очевидно, что индивидуальные пороги в первую очередь определяются локальным затвором с низким напряжением, а не затвором с полным накоплением, расположенным поблизости. Следовательно, значения каждой строки можно усреднить, чтобы получить статистику о влиянии ширины накопительного затвора, как показано на рис. 3а. Увеличение напряжения включения при уменьшении ширины AG ожидается из-за эффекта узкого канала MOSFET ²⁵ .

a Напряжения включения и отсечки в зависимости от ширины накопительного затвора со стандартными отклонениями. Каждая точка является усреднением по ряду элементарных ячеек на рис. 2в с одинаковой шириной ЗГ W , но с разным шагом ЗГ L . Вставка представляет собой увеличение напряжений отсечки, где соответствующее напряжение включения всегда ниже 3 В, с линейной аппроксимацией (черная линия). b Гистограмма плотности вероятности напряжений отсечки, измеренных по всей сети, где В _–  < 3 В, без тренда линейной геометрии затвора. Цветные линии соответствуют Гауссу для обоих распределений. c Гистограмма плотности вероятности разностей отсечки Δ V _po (синяя) между правым и левым барьерами в одном и том же полевом транзисторе и их аппроксимация по Гауссу (черная линия). d Значения отсечки обоих барьеров для каждого полевого транзистора, нанесенные друг на друга с удаленным трендом линейной геометрии затвора. Основные компоненты данных показаны красными стрелками, а диагональная черная линия служит ориентиром для глаз. Вклады беспорядка с масштабом длины меньшим, чем расстояние между барьерами, должны вызывать дисперсию равномерно в плоскости. Все вклады беспорядка в более крупном масштабе вызывают дисперсию преимущественно по оси (y = +x).

Изображение полного размера

Поведение напряжения отсечки можно разделить на две области. Во-первых, увеличение отсечки полевых транзисторов с Вт  < 50 нм совпадает с появлением значений включения более 3В. В этом случае процедура накопления надлежащего канала при 1В выше порога включения была невозможна из-за установленного предела выходного напряжения 4В. Таким образом, БГ частично выступает в качестве накопительных ворот для области вокруг пересекающихся ворот. Во-вторых, полевые транзисторы с W  > 50 нм имеют гораздо более слабую зависимость, как видно на вставке к рис. 3а. Большое количество измеренных полевых транзисторов позволяет получить надежную линейную аппроксимацию данных, несмотря на то, что постоянное поведение не исключается стандартным отклонением.

На рис. 3b мы визуализируем распределения отсечек по сетке в виде гистограмм плотности вероятности. В этом анализе мы рассматриваем только полевые транзисторы, которые включались с В _до  < 3В, и мы принимаем во внимание линейный тренд, связанный с шириной АГ, наблюдаемый на рис. 3а, путем вычитания линейной подгонки, которая включает 1,17 В средний, по данным. Распределение V _po , хорошо соответствуют распределениям Гаусса, характеризующимся стандартными отклонениями 47,5 мВ и 46,1 мВ для левого и правого барьеров соответственно. Поскольку полевые транзисторы в перекладине расположены равномерно на площади 200 × 100 мкм ² , стандартное отклонение является метрикой для количественной оценки однородности потенциала беспорядка в макроскопическом масштабе. Соответствующим эталоном для этой метрики является энергия зарядки квантовой точки, поскольку предложения по масштабированию основаны на определенных уровнях однородности состояния заряда. По сравнению с многоэлектронной заполненностью SET на рис. 2b, мы находим \(\frac{\alpha {\sigma}_{{V}_{{{{\rm{po}}}}}}}{{E }_{{{{\rm{C}}}}}}=1,17\) как среднее стандартное отклонение, нормированное на энергию зарядки. Рассматривая отсечной затвор, представляющий другие затворы в поперечине, в том числе затвор, контролирующий точечный потенциал, мы можем оценить дисперсию химических потенциалов в СЭТ с тем же приложенным напряжением. Вероятность того, что потенциал SET будет находиться в пределах 9{2}}}dx,$$

(1)

, что равно 33,1%.

Из-за симметрии барьеров в каждом полевом транзисторе однородность на наноуровне также может быть изучена в нашей перекладине. На рис. Стандартное отклонение составляет 32,7 мВ, что указывает на то, что корреляция на наноуровне, характеризующаяся барьерным разделением L масштаб длины в одном полевом транзисторе значительно больше, чем корреляция в микрометровом масштабе, характеризующаяся пространственным разделением различных полевых транзисторов. Предполагая, что обе отсечки в одном и том же полевом транзисторе взяты из одного и того же распределения, поскольку их окружение похоже, стандартное отклонение эквивалентной одиночной отсечки равно \(32,7{{{\rm{мВ}}}}/\sqrt{2 }=23,1\) мВ. Однако стандартное отклонение \(\frac{\alpha {\sigma}_{{V}_{{{{\rm{po}}}}}}}{{E}_{{ {{\ rm {C}}}}}} = 0,58 \) соответствует 61,3% SET с желаемым состоянием заряда, что статистически подтверждает, насколько важно улучшение материала и однородность изготовления для реализации масштабируемых кубитов с общими вентилями. Ожидается, что переход к передовой промышленной переработке приведет к повышению однородности ²⁶ , но не на порядки. Метрику можно дополнительно улучшить, усложнив заполнение доступных энергетических состояний квантовых точек, например, увеличив энергию зарядки за счет большего ограничения.

Мы получаем дополнительное представление о происхождении изменчивости и о шкале длин вкладов доминирующего беспорядка, нанося на рис. 3d отсечки каждого полевого транзистора относительно друг друга для всех измеренных устройств. При анализе данных мы снова удаляем линейный тренд, связанный с накоплением ворот разной ширины, так что оставшаяся изменчивость преимущественно связана с однородностью. Применяем анализ главных компонент ²⁷ для количественной оценки зависящей от направления дисперсии нанесенных отсечений путем определения собственных векторов ковариационной матрицы, как показано красными стрелками на рис. 3d. С помощью закона суммы дисперсии мы находим, что вклад в диагональ от нарушений, вызывающих коррелированные отсечки внутри полевых транзисторов, в 2,6 раза больше, чем от нарушений, вызывающих некоррелированную дисперсию.