Nanoelektronik mit Y-Schaltern und Quantendrähten

Logische Nano-Gatter

Die kleinste Einheit logischer Information wird als Bit bezeichnet. Elektronische Information wird über logische Gatter verarbeitet. Ein Gatter besitzt Eingänge und Ausgänge. Für bestimmte Signale an den Eingängen entstehen Signale an den Ausgängen, die einer Logik entsprechen. Diese Signale werden an weitere Gatter gegeben.

Die Umsetzung komplexer logischer Funktionen wird in der Regel über eine Kaskadierung von Bauteilen erreicht. Dabei kann der Ausgang eines Gatters nur mit einer bestimmten Anzahl weiterer Gatter belastet werden, um definierte Ausgangssignale mit entsprechenden Pegeln für High (H) und Low (L) (z. B. 1 Volt für H und 0 Volt für L) zu gewährleisten.

Um die Funktion logischer Gatter zu testen, werden an den Eingängen des Gatters in Folge sämtliche Kombinationen an möglichen Spannungen von High und Low angelegt und an den entsprechenden Ausgängen das Ergebnis mit der Wahrheitstabelle des entsprechenden Gatters verglichen.

Um möglichst kompakte Netzwerke aus Basisschaltern herstellen zu können, soll ein Gatter möglichst viele andere Gatter kontrollieren. Die maximale Anzahl der anschließbaren Gatter nennt man Fan-Out (Ausfächern). Zum Beispiel verkraften die meisten TTL-Gatter (Transistor-Transistor-Logik) bis zu zehn digitale TTL-Gatter am Ausgang.

Bei der Vernetzung von Gattern existiert das Problem des Fan-Out nicht nur für klassische Transistoren, sondern auch für nanoelektronische Bauelemente. Diese zeichnen sich zwar dadurch aus, dass nur eine geringe Leistungsaufnahme notwendig ist, anderseits sind die Signalpegel aufgrund des geringen Stroms oft nicht wohl definiert.

Es besteht daher die berechtigte Frage, ob ein nanoelektronisches Gatter überhaupt ein nachfolgendes kontrollieren kann. Die Frage nach dem Ausfächern erlangt einen besonderen Stellenwert. Ein Ziel in der Vernetzung von Bauelementen zur Realisierung komplexer logischer Funktionen besteht darin, mit einer möglichst geringen Anzahl von aktiven nanoelektronischen Strukturen eine möglichst große logische Funktionalität zu erreichen.