Arnold Sommerfeld-Preis der BAdW

Nanoelektronik mit Y-Schaltern und Quantendrähten

Volladierer

Ein Volladdierer (engl. full adder) ist (in der Regel) ein digitales Schaltnetz. Es besteht aus drei Eingängen (A, B und C-in) und zwei Ausgängen (C-out und SUM). Mit einem Volladdierer kann man drei einstellige Binärzahlen addieren. Dabei liefert der Ausgang SUM die niederwertige Stelle des Ergebnisses, der Ausgang C-out (engl. carry [output] = Übertrag [Ausgang]) hingegen die höherwertige.

Ein Volladdierer ist neben dem Speicher (SRAM) ein wesentliches Bauelement des mathematischen Prozessors eines Computers. So gesehen besteht die Funktion eines Computers im geschickten Addieren und Speichern von binären Zahlen.

Wir konnten zeigen, dass ein Volladdierer monolithisch in einer modulationsdotierten GaAs/AlGaAs-Heterostruktur mittels Elektronenstrahl- Lithographie und Ätztechniken realisiert werden kann [12]. Abbildung 3 zeigt eine Elektronenmikroskopaufnahme eines solchen Volladdierers. Es ist zu beachten, dass bei diesem Volladdierer sowohl die aktiven Schaltelemente, die Verbindungen (Interconnects), als auch die seitlichen Gatter stets aus dem gleichen Material bestehen.

Abb. 3: Elektronenmikroskopische Aufnahme eines nanoelektronischen Volladdierers, bestehend aus einem Carry-Bit und zwei kaskadierten XOR-Gattern als SUM-Bit. Die Leiterbahnen sind als stehen gebliebene Bereiche einer MOD-Struktur erkennbar. Jede Komponente, eingeschlossen die Verbindungen, besteht aus dem gleichen Material und wurde in einer Ebene realisiert. Zur besseren Identifizierung der einzelnen Komponenten sind die Schemata der Grundbausteine Carry-Bit, XOR-Gatter und SUM-Bit unterhalb gezeigt. Zur Realiserung des SUM-Bit ist der Ausgang des ersten XOR-Gatters mit dem Eingang des zweiten XOR-Gatters kurzgeschlossen
Abb. 3: Elektronenmikroskopische Aufnahme eines nanoelektronischen Volladdierers, bestehend aus einem Carry-Bit und zwei kaskadierten XOR-Gattern als SUM-Bit. Die Leiterbahnen sind als stehen gebliebene Bereiche einer MOD-Struktur erkennbar. Jede Komponente, eingeschlossen die Verbindungen, besteht aus dem gleichen Material und wurde in einer Ebene realisiert. Zur besseren Identifizierung der einzelnen Komponenten sind die Schemata der Grundbausteine Carry-Bit, XOR-Gatter und SUM-Bit unterhalb gezeigt. Zur Realiserung des SUM-Bit ist der Ausgang des ersten XOR-Gatters mit dem Eingang des zweiten XOR-Gatters kurzgeschlossen

Dies ist bei klassischen Volladdierern keineswegs der Fall. Im Gegenteil, diese bestehen aus Dutzenden von Transistoren, die über mehrlagige Schichten von Leiterbahnen verbunden sind. Im Schema des Volladdierers (Abb. 3, unten) sind drei Eingangsignale A, B und C-in sowie sieben Anschlüsse für Versorgungsspannungen dargestellt. Das logische Ausgangssignal des Carry-Bits ist C-out und dasjenige des Summen-Bits SUM.