基于离子双极性结晶管的集成离子电路建模与设计
软凝聚态物质
2025-07-22 v1 应用物理
摘要
生物系统依赖离子和分子作为信息载体,而非电子,这激发了开发与生化系统相互作用的装置，以通过对离子和分子进行时空控制来实现感知、信息处理和驱动.离子电子学旨在通过由离子导电材料构成的装置来实现这一愿景,但在稳态条件下运行的简单单级电路配置之外推进仍是一大挑战.本文提出并建模了更复杂的离子电路,即双稳态翻转-flop 和环振荡器,其由多个离子双极性结晶管 (IBJTs) 组成.我们首先对单个 IBJTs 进行建模和表征,使用简化的二维 Nernst-Planck 模型和更详细的二维 Poisson-Nernst-Planck 模型,阐明了几何、尺寸和固定电荷对 IBJT 性能和响应时间的影响.一维和二维模型之间的良好一致性表明横向非均匀性可以忽略.此外,这些模型显示减小基宽可提高电流放大,这一行为类似于电子双极性结晶管.基于对 IBJTs 作为电压反相器和缓冲器的理解,我们设计并建模了更复杂的离子电路,这些电路能够动态地响应离子信号而改变其状态.具体而言,我们证明离子翻转-flop 能保留一位存储,而环振荡器能够实现无需外部时钟的自主周期自激振荡.我们的工作为使用离子导体设计动态离子电路提供了基础,使基于离子输运的生化信号处理和逻辑运算成为可能.
引用
@article{arxiv.2507.15440,
title = {Modeling and Design of Integrated Iontronic Circuits Based on Ionic Bipolar Junction Transistors},
author = {Soichiro Tottori and Rohit Karnik},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.15440},
year = {2025}
}