纳米机电继电器

纳米机电继电器，是电致动的开关，其在内置纳米使用规模的半导体制造技术。它们被设计为替代传统半导体逻辑或与传统半导体逻辑结合使用。NEM继电器的机械特性使它们的开关速度比固态继电器慢得多，但它们具有许多有利的特性，例如零电流泄漏和低功耗，这使其有可能在下一代计算中使用。

典型的NEM继电器需要数十伏的电势才能“拉入”，并具有数千兆欧的接触电阻。用铂涂覆接触表面可以将可实现的接触电阻降低至3kΩ。与晶体管相比，NEM继电器的开关速度相对较慢，约为纳秒。

NEM继电器可以制成两个、三个或四个端子配置。三端子继电器由源极（输入）、漏极（输出）和栅极（驱动端子）组成。悬臂梁连接到源极，该悬臂梁可以弯曲成与漏极接触，以进行电连接。当在梁和栅极之间施加很大的电压差，并且静电力克服了梁的弹力，足以使其弯曲成与漏极接触时，该设备将“拉入”并形成电连接。在关闭位置、源极和漏极之间被气隙隔开。这种物理隔离使NEM继电器的电流为零泄漏，以及非常尖锐的开/关转换。

电场的非线性特性以及电子束和漏极之间的粘附力导致该器件在低于其拉入电压的电压下“拉出”并失去连接。这种磁滞效应意味着在拉入之间存在电压电压，以及无论初始状态如何都不会改变继电器状态的拉出电压。在需要将信息存储在电路中的应用中（例如在静态随机存取存储器中），此属性非常有用。

纳米机电继电器通常使用微机电系统（MEMS）的典型表面微加工技术制造。通过首先在硅晶片上沉积两层或更多层材料来构造横向致动继电器。对上部结构层进行光刻图案化，以形成最上部材料的隔离的块。然后有选择地蚀刻掉下面的层，从而留下薄的结构（例如继电器的光束），该结构悬在晶片上方，并且可以自由地横向弯曲。此过程中使用的一组常用材料是多晶硅作为上结构层、二氧化硅是牺牲下层。

纳米机电继电器可以使用后端兼容工艺制造，从而可以在CMOS之上构建。该属性允许使用NEM继电器来显着减小某些电路的面积。例如，CMOS-NEM中继混合逆变器占0.03 µm ²，是45 nm CMOS逆变器面积的三分之一。

由于晶体管泄漏，CMOS逻辑的理论效率受到限制。该效率壁垒最终阻止了功率受限应用中计算能力的持续提高。尽管纳米机电继电器具有明显的开关延迟，但与其他继电器相比，它们的体积小且开关速度快，这意味着利用NEM继电器进行机械计算可证明是典型的基于CMOS的集成电路的可行替代品，并打破了CMOS效率壁垒。

纳米机电继电器的机械开关速度比固态晶体管进行电开关的速度慢约1000倍。尽管这使使用NEM继电器进行计算成为一个巨大的挑战，但它们的低电阻将允许许多纳米机电继电器链接在一起并一次切换所有开关，从而执行一次大型计算。另一方面，晶体管逻辑必须以较小的周期实现这是因为它们的高电阻使得许多晶体管不能在保持信号完整性的同时链接在一起。因此，有可能使用NEM继电器创建机械计算机，该计算机以比CMOS逻辑低得多的时钟速度运行，但在每个周期内执行更大、更复杂的计算。这将允许基于NEM继电器的逻辑执行与当前CMOS逻辑相当的标准。

有许多应用程序，例如在汽车、航空航天或地热勘探行业中，拥有可以在非常高的温度下运行的微控制器将是有益的。但是，在高温下，典型微控制器中使用的半导体会因为制造材料的电性能下降而开始失效，并且晶体管不再起作用。纳米机电继电器不依赖于材料的电气特性来致动，因此使用纳米机电继电器的机械计算机将能够在这种条件下运行。NEM继电器已在高达500°C的温度下成功测试，但理论上可以承受更高的温度。

零泄漏电流，低能耗以及能够在NEM继电器的CMOS特性之上分层的能力使其成为在现场可编程门阵列（FPGA）中用作路由开关的有希望的候选者。与典型的基于22nm CMOS的FPGA 相比，利用NEM继电器替换每个路由开关及其相应的静态随机存取存储模块的FPGA 可以显着减少编程延迟，功耗和芯片面积。面积的减少主要是由于可以在FPGA的CMOS层之上构建NEM中继路由层。