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JP2002289833A - Electronic circuit - Google Patents

Electronic circuit

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JP2002289833A
JP2002289833A JP2001086348A JP2001086348A JP2002289833A JP 2002289833 A JP2002289833 A JP 2002289833A JP 2001086348 A JP2001086348 A JP 2001086348A JP 2001086348 A JP2001086348 A JP 2001086348A JP 2002289833 A JP2002289833 A JP 2002289833A
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terminal
voltage
transistor
electron
source
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Hiroshi Inokawa
洋 猪川
Tsuneo Takahashi
庸夫 高橋
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/56Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C2216/00Indexing scheme relating to G11C16/00 and subgroups, for features not directly covered by these groups
    • G11C2216/02Structural aspects of erasable programmable read-only memories
    • G11C2216/08Nonvolatile memory wherein data storage is accomplished by storing relatively few electrons in the storage layer, i.e. single electron memory

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単電子トランジスタ論理回路の動作温度を低
温領域に制限することなく、電圧利得を大きくする。ま
た、簡単な構成で多値記憶回路を実現する。 【解決手段】 単電子トランジスタ1のドレイン電極D
に電界効果トランジスタ21のソース電極を接続するこ
とにより、出力端子9の電圧Vout にかかわりなく、単
電子トランジスタ1のソース・ドレイン間電圧Vdsがク
ーロンブロッケイド状態を維持できる程度の低い値に保
つ。また、出力端子9から単電子島5の電位に対する負
帰還作用を抑えて、大きな電圧利得を得る。また、入力
端子8と出力端子9とを短絡して記憶ノードとすること
により多値記憶回路を実現する。
(57) Abstract: A voltage gain is increased without limiting an operating temperature of a single-electron transistor logic circuit to a low temperature region. Further, a multi-value storage circuit is realized with a simple configuration. SOLUTION: A drain electrode D of a single electron transistor 1 is provided.
Is connected to the source electrode of the field effect transistor 21 so that the source-drain voltage V ds of the single-electron transistor 1 becomes low enough to maintain the Coulomb blockade state irrespective of the voltage V out of the output terminal 9. keep. Moreover, a large voltage gain is obtained by suppressing the negative feedback effect on the potential of the single electron island 5 from the output terminal 9. Further, a multi-valued storage circuit is realized by short-circuiting the input terminal 8 and the output terminal 9 to form a storage node.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、単電子トランジス
タを用いて構成された電子回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electronic circuit formed using single electron transistors.

【0002】[0002]

【従来の技術】単電子トランジスタは、2つのトンネル
接合に挟まれた単電子島と呼ばれる微小な導電性の島の
電位をゲートキャパシタを介して制御することにより、
クーロンブロッケイド状態(島の帯電エネルギーが大き
いため、電子のトンネリングが禁止された状態)の発現
・非発現を制御して、ソース・ドレイン間の電流を制御
するトランジスタである。
2. Description of the Related Art A single-electron transistor controls the potential of a small conductive island called a single-electron island sandwiched between two tunnel junctions via a gate capacitor.
This transistor controls the current between the source and the drain by controlling the on / off state of the Coulomb blockade state (the state in which the tunneling of electrons is prohibited due to the large charging energy of the island).

【0003】図11は、一般的な単電子トランジスタの
等価回路図である。単電子トランジスタ1は、ソース電
極S及びドレイン電極Dのそれぞれと単電子島5との間
にトンネル接合3,2が設けられ、ゲート電極Gが単電
子島5に容量結合した構造をしている。図12は、単電
子トランジスタ1のソース・ドレイン間を流れる電流I
d のゲート・ソース間電圧Vgs依存性を示す特性図であ
る。ソース電極Sとドレイン電極Dとの間に微小な電圧
dsを印加した状態でゲート・ソース間電圧Vgsを掃引
すると、ドレイン電流Id の値は図12に示すように周
期的に増減する。以下に、その原理を説明する。
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of a general single-electron transistor. The single-electron transistor 1 has a structure in which tunnel junctions 3 and 2 are provided between each of the source electrode S and the drain electrode D and the single-electron island 5, and the gate electrode G is capacitively coupled to the single-electron island 5. . FIG. 12 shows a current I flowing between the source and the drain of the single-electron transistor 1.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the dependence of d on the gate-source voltage V gs . When the gate-source voltage V gs is swept in a state where the minute voltage V ds is applied between the source electrode S and the drain electrode D, the value of the drain current I d periodically increases and decreases as shown in FIG. . Hereinafter, the principle will be described.

【0004】単電子島5はトンネル接合2,3に挟まれ
ているために、電子1個が単電子島5に入ることによる
エネルギー増加分に相当するエネルギー準位ができる
(以下、エネルギー準位はすべて電子に対するものとす
る)。ゲート・ソース間電圧V gsを変化させると、ゲー
ト電極Gと単電子島5との容量的な結合により、このエ
ネルギー準位が一定のギャップを保ったまま上下する。
ソース・ドレイン間電圧Vdsがこのギャップよりも小さ
い場合、ギャップ内にソースとドレインの両方の伝導可
能な準位が入ると、ソース・ドレイン間に電流Id が流
れないクーロンブロッケード状態となる。一方、ソース
とドレインの準位の間に単電子島5の準位のいずれかが
入ると、単電子島5の準位を介してソース・ドレイン間
に電流Id が流れる状態になる。
A single electron island 5 is sandwiched between tunnel junctions 2 and 3.
Because one electron enters the single-electron island 5
Energy level corresponding to energy increase is created
(Hereafter, all energy levels are for electrons
). Gate-source voltage V gsChange the game
Due to the capacitive coupling between the electrode G and the single electron island 5,
The energy level goes up and down while maintaining a certain gap.
Source-drain voltage VdsIs less than this gap
If both the source and drain conduct within the gap,
When an effective level enters, the current IdFlow
Will not be in Coulomb blockade state. Meanwhile, the source
One of the levels of single-electron island 5 is between
When entering, between source and drain via the level of single electron island 5
Current IdFlows.

【0005】よって、あるゲート・ソース間電圧Vgs
はブロッケードの効果で単電子島5内の電子個数がn個
(nは整数)で安定となり、電流Id は流れないが、ゲ
ート・ソース間電圧Vgsが増加するとブロッケードが破
れ、もう1個電子が増えることが可能となる。後者の領
域にゲート・ソース間電圧Vgsが入ると、単電子島5の
電子数がnとn+1の両方の値をとれるので、電子が1
個島5内に入り、次に出て行く(島5内の電子数はnと
n+1との間を往復する)ことで電流Id が流れるよう
になる。したがって、ゲート・ソース間電圧Vgsを変化
せると、ソース・ドレイン間の電流Id が振動すること
になる。この単電子トランジスタ1は、低電圧・微小電
流で動作するので消費電力が極めて小さいこと、また素
子面積が極めて小さいことなどの理由により、論理回路
・記憶回路応用の観点からも注目を集めている。
Therefore, at a certain gate-source voltage V gs , the number of electrons in the single-electron island 5 is stabilized at n (n is an integer) due to the effect of the blockade, and no current Id flows. When the voltage V gs increases, the blockade is broken, and another electron can be increased. When the gate-source voltage V gs enters the latter region, the number of electrons in the single electron island 5 can take both values of n and n + 1.
By entering the individual island 5 and then exiting (the number of electrons in the island 5 reciprocates between n and n + 1), the current Id flows. Therefore, when the gate-source voltage V gs is changed, the source-drain current I d oscillates. Since the single-electron transistor 1 operates at a low voltage and a small current, the power consumption is extremely small, and the element area is extremely small. .

【0006】単電子トランジスタ1の従来の論理回路応
用の例は、IBMJ.Res.Develop.Vol.32,p.144.1988(K.K.L
ikharev)などに見られる。図13は、単電子トランジス
タ1を用いた抵抗負荷型のインバータの構成を示す回路
図である。単電子トランジスタ1のドレイン電極Dは負
荷抵抗119を介して電源端子106に接続され、ソー
ス電極Sは接地端子107に接続されている。また、ゲ
ート電極Gに入力端子108が接続され、ソース電極S
と負荷抵抗119との接続点に出力端子109が接続さ
れている。この回路構成は、従来用いられていた電界効
果トランジスタやバイポーラトランジスタを単に単電子
トランジスタ1に置き換えたものであり、以下の条件の
下で、従来のインバータと同じ機能を実現できる。
An example of a conventional logic circuit application of the single-electron transistor 1 is disclosed in IBM J. Res. Develop. Vol. 32, p. 144.1988 (KKL
ikharev). FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a resistance load type inverter using the single electron transistor 1. The drain electrode D of the single-electron transistor 1 is connected to the power supply terminal 106 via the load resistor 119, and the source electrode S is connected to the ground terminal 107. Further, the input terminal 108 is connected to the gate electrode G and the source electrode S
The output terminal 109 is connected to a connection point between the output terminal 109 and the load resistor 119. This circuit configuration is obtained by simply replacing a conventionally used field effect transistor or bipolar transistor with a single-electron transistor 1, and can realize the same function as a conventional inverter under the following conditions.

【0007】すなわち、単電子トランジスタ1のソース
・ドレイン間電圧Vdsが、e/Cto tal よりも小さい場
合に、クーロンブロッケイド状態が発現し、ソース・ド
レイン間が非導通状態となる。ここに、eは電気素量で
あり、Ctotal は単電子トランジスタ1の全容量(ゲー
トキャパシタ4の容量Cg 、ソース電極S及びドレイン
電極Dのトンネル接合3,2の容量Cs ,Cd の総和)
である。したがって、クーロンブロッケイド状態が発現
するように、電源電圧Vddをe/Ctotal より小さくす
る必要がある。また、単電子トランジスタ1のドレイン
電流Id は図12に示したようにゲート・ソース間電圧
gsに対して周期的に増減するので、一般的な2値のイ
ンバータとして使用するためには、ドレイン電流Id
単調に増加する範囲にゲート・ソース間電圧Vgsすなわ
ち入力電圧Vinを設定する必要がある。
That is, the source of the single-electron transistor 1
・ Drain voltage VdsBut e / Cto talPlace smaller than
In this case, a Coulomb blockade state appears and the source
Non-conduction is established between the rains. Where e is the elementary charge
Yes, CtotalIs the total capacity of the single-electron transistor 1
The capacitance C of the capacitor 4g, Source electrode S and drain
Capacitance C of tunnel junction 3 and 2 of electrode Ds, CdSum of
It is. Therefore, Coulomb blockade state appears
Power supply voltage VddTo e / CtotalSmaller
Need to be The drain of the single-electron transistor 1
Current IdIs the gate-source voltage as shown in FIG.
VgsIncreases or decreases periodically with respect to
For use as an inverter, the drain current IdBut
The gate-source voltage V is monotonically increasing.gsSand
Input voltage VinNeed to be set.

【0008】単電子トランジスタ1の従来の記憶回路応
用の例は、特開平7−86614号公報などに見られ
る。図14は、単電子トランジスタ1を用いた記憶回路
の要部構成を示す回路図である。この記憶回路は、図1
3に示したインバータ2つをたすきがけ接続することに
よって構成されており、2値の情報をスタティックに保
持することができる。
An example of a conventional storage circuit application of the single-electron transistor 1 can be found in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-86614. FIG. 14 is a circuit diagram showing a main configuration of a storage circuit using the single-electron transistor 1. This storage circuit is shown in FIG.
3 is configured by cross-connecting two inverters, and binary information can be statically held.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】単電子トランジスタ1
においては、ドレイン電極Dのトンネル接合2の容量C
d を介した結合により、ドレイン電圧が単電子島5の電
位に影響を与え負帰還がかかるため、電圧利得(の絶対
値)はCg /Cd に制限される。ここに、電圧利得と
は、ドレイン電圧(出力電圧)の振幅をゲート電圧(入
力電圧)の振幅で割った値である。一般に論理回路で
は、信号が次段以降に伝搬できるように、電圧利得を1
より大きく取る必要がある。信号伝搬時の電圧の減衰や
設計のマージンなどを考慮すると、電圧利得は大きけれ
ば大きいほど良い。このためには、図13に示したよう
な単電子トランジスタ論理回路ではCg を大きくする
か、Cd を小さくするかしか選択の余地はない。Cd
トンネル接合2の容量であり、小さくするのは難しい。
したがって、Cg を大きくすることになる。
SUMMARY OF THE INVENTION Single electron transistor 1
The capacitance C of the tunnel junction 2 of the drain electrode D
dThe drain through the single electron island 5
Voltage gain (absolute
Value) is Cg/ CdIs limited to Where voltage gain and
Changes the amplitude of the drain voltage (output voltage) to the gate voltage (input
Force voltage). Generally in logic circuits
Has a voltage gain of 1 so that the signal can propagate to the next and subsequent stages.
Need to take bigger. Attenuation of voltage during signal propagation
Considering design margins, etc., voltage gain
The larger the better. To do this, as shown in FIG.
In a simple single-electron transistor logic circuit, CgIncrease
Or CdThere is no choice but to reduce. CdIs
This is the capacity of the tunnel junction 2 and it is difficult to reduce it.
Therefore, CgWill be increased.

【0010】一方、単電子トランジスタ1の動作可能な
温度Tは、kをボルツマン定数とすると、 e2/2/Ctotal > kT を満足しなければならない。したがって、単電子トラン
ジスタ1が高温で動作するためには、単電子トランジス
タ1の全容量Ctotal を小さく設定する必要がある。し
かし、Ctotal はCg を含んでいるので、電圧利得を大
きくするためにC g を大きくするとCtotal が大きくな
ることになり、動作温度Tが低温領域に制限されてしま
うという問題があった。
On the other hand, the single-electron transistor 1 can operate.
The temperature T is given by: k is Boltzmann's constant.Two/ 2 / Ctotal> KT must be satisfied. Therefore, single electron transformer
In order for the transistor 1 to operate at high temperatures, a single electron transistor
Total capacity C of the data 1totalNeeds to be set small. I
Scarecrow, CtotalIs CgVoltage gain
C gWhen C is increased, CtotalIs bigger
Operating temperature T is limited to the low temperature range.
There was a problem.

【0011】また、図14に示した単電子トランジスタ
を用いた記憶回路は、2値の情報しかスタティックに保
持できなかった。単電子トランジスタ1を用いて3値以
上の多値のスタティック記憶回路を構成する場合には、
バイポーラトランジスタやMOS型トランジスタを用い
る場合と同様に、多数の素子が必要であるという問題が
あった。
The storage circuit using single-electron transistors shown in FIG. 14 can statically hold only binary information. When configuring a multi-valued static memory circuit of three or more values using the single-electron transistor 1,
As in the case of using a bipolar transistor or a MOS transistor, there is a problem that a large number of elements are required.

【0012】本発明はこのような課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、単電子トランジスタ
を用いた論理回路の動作温度Tを低温領域に制限するこ
となく、電圧利得を大きくすることにある。また、他の
目的は、簡単な構成で多値記憶回路を実現することにあ
る。
The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to increase the voltage gain without limiting the operating temperature T of a logic circuit using single-electron transistors to a low temperature region. Is to do. Another object is to realize a multi-value storage circuit with a simple configuration.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の電子回路は、ソース電極及びドレイ
ン電極のそれぞれと単電子島との間にトンネル接合が設
けられ,ゲート電極が単電子島に容量結合した単電子ト
ランジスタと、第1〜第3の端子を有し,第1の端子と
第2の端子との間に流れる電流を第3の端子に与えられ
る信号により制御する3端子素子と、単電子トランジス
タのソース電極とドレイン電極との間に流れる電流の最
大値より小さく最小値より大きい電流を流す負荷素子と
を備え、単電子トランジスタのドレイン電極は3端子素
子の第1の端子に接続され、単電子トランジスタのゲー
ト電極は入力端子に接続され、3端子素子の第2の端子
及び負荷素子の一端は出力端子に接続され、負荷素子の
他端は電源端子に接続され、単電子トランジスタのソー
ス電極は接地端子に接続され、3端子素子の第1の端子
の電圧が電気素量を単電子トランジスタの全容量で割っ
た値以下となるように3端子素子の第3の端子の電圧が
設定されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an electronic circuit according to the present invention is provided with a tunnel junction between each of a source electrode and a drain electrode and a single electron island and a gate electrode. It has a single electron transistor capacitively coupled to a single electron island and first to third terminals, and controls a current flowing between the first terminal and the second terminal by a signal supplied to the third terminal. A three-terminal element; and a load element for flowing a current smaller than the maximum value and smaller than the maximum value of the current flowing between the source electrode and the drain electrode of the single-electron transistor. 1, the gate electrode of the single-electron transistor is connected to the input terminal, the second terminal of the three-terminal element and one end of the load element are connected to the output terminal, and the other end of the load element is connected to the power supply terminal. Then, the source electrode of the single-electron transistor is connected to the ground terminal, and the voltage of the first terminal of the three-terminal element is equal to or less than the value obtained by dividing the elementary charge by the total capacity of the single-electron transistor. The voltage of the third terminal is set.

【0014】単電子トランジスタにおいて、クーロンブ
ロッケイド状態が発現してオフ状態となると、3端子素
子の第1の端子と第2の端子との間に十分な電流が流れ
ず、出力端子の電圧は電源端子の電圧とほぼ等しくな
る。一方、クーロンブロッケイド状態が発現せずオン状
態となると、3端子素子の第1の端子と第2の端子との
間に十分な電流が流れ、出力端子の電圧は3端子素子の
第1の端子の電圧とほぼ等しくなる。したがって、電源
端子の電圧と3端子素子の第1の端子の電圧との差が出
力振幅になる。この出力振幅を大きくするために電源端
子の電圧を大きくしても、単電子トランジスタのドレイ
ン電圧は、電気素量を単電子トランジスタの全容量で割
った値以下に固定される。このため、出力振幅と入力振
幅との比によって決まる電圧利得は、単電子島の電位に
対する負帰還作用によってCg /Cd に制限されること
はない。ここに、Cg はゲートキャパシタの容量であ
り、Cd はドレイン電極のトンネル接合の容量である。
In the single-electron transistor, when the Coulomb blockade state is developed and turned off, a sufficient current does not flow between the first terminal and the second terminal of the three-terminal element, and the voltage of the output terminal becomes It becomes almost equal to the voltage of the power supply terminal. On the other hand, when the Coulomb blockade state does not appear and turns on, a sufficient current flows between the first terminal and the second terminal of the three-terminal element, and the voltage of the output terminal becomes the first terminal of the three-terminal element. It is almost equal to the voltage of the terminal. Therefore, the difference between the voltage of the power supply terminal and the voltage of the first terminal of the three-terminal element becomes the output amplitude. Even if the voltage at the power supply terminal is increased to increase the output amplitude, the drain voltage of the single-electron transistor is fixed to a value equal to or less than the value obtained by dividing the elementary charge by the total capacity of the single-electron transistor. For this reason, the voltage gain determined by the ratio between the output amplitude and the input amplitude is not limited to C g / C d by the negative feedback effect on the potential of the single electron island. Here, C g is the capacitance of the gate capacitor, and C d is the capacitance of the tunnel junction of the drain electrode.

【0015】ここで、3端子素子は、電界効果トランジ
スタであり、3端子素子の第1の端子はソース電極であ
り、第2の端子はドレイン電極であり、第3の端子はゲ
ート電極であり、このゲート電極は、電界効果トランジ
スタをオン状態にする電圧だけソース電極の電圧より高
い電圧を印加するバイアス電圧端子に接続されている構
成としてもよい。特に、電界効果トランジスタは、デプ
レッション型であり、電界効果トランジスタのゲート電
極に接続されるバイアス電圧端子は、接地端子であると
いう構成としてもよい。この場合、別個にバイアス電圧
端子を設ける必要がない。
Here, the three-terminal element is a field-effect transistor, the first terminal of the three-terminal element is a source electrode, the second terminal is a drain electrode, and the third terminal is a gate electrode. The gate electrode may be connected to a bias voltage terminal for applying a voltage higher than the voltage of the source electrode by a voltage for turning on the field effect transistor. In particular, the field effect transistor may be of a depletion type, and the bias voltage terminal connected to the gate electrode of the field effect transistor may be a ground terminal. In this case, there is no need to provide a separate bias voltage terminal.

【0016】また、負荷素子は、定電流源であってもよ
い。定電流源は、内部抵抗が高く、ゼロ近傍から電源端
子の電圧までの広い電圧範囲を出力できるので、出力振
幅及び電圧利得を大きくすることができる。また、負荷
素子は、ゲート電極・ソース電極間を短絡して一端と
し、ドレイン電極を他端としたデプレッション型電界効
果トランジスタであってもよい。このデプレッション型
電界効果トランジスタは擬似的な定電流源として動作す
るので、定電流源を用いた場合と同様に、電圧利得等を
大きくすることができる。
The load element may be a constant current source. The constant current source has a high internal resistance and can output a wide voltage range from near zero to the voltage of the power supply terminal, so that the output amplitude and the voltage gain can be increased. Further, the load element may be a depletion-type field-effect transistor in which the gate electrode and the source electrode are short-circuited to one end and the drain electrode is the other end. Since the depletion type field effect transistor operates as a pseudo constant current source, the voltage gain and the like can be increased as in the case of using the constant current source.

【0017】また、入力端子と出力端子とを短絡して記
憶ノードとしてもよい。電源端子から負荷素子、3端子
素子、単電子トランジスタを経由して接地端子に流れる
回路電流Iは記憶ノード電圧Vに対して周期的に増減す
る。負荷素子の負荷曲線と、周期的に増減するI−V特
性との交点が安定点になり、多値記憶回路として機能す
る。また、ビットラインと記憶ノードとの接続・接続断
をワードラインに与えられる電圧により切り替えるスイ
ッチを更に有するようにしてもよい。上記の多値記憶回
路としての機能とスイッチとから多値メモリセルが構成
される。また、スイッチは、一方のソース・ドレイン電
極がビットラインに接続され,他方のソース・ドレイン
電極が記憶ノードに接続され,ゲート電極がワードライ
ンに接続された電界効果トランジスタであってもよい。
Further, the input terminal and the output terminal may be short-circuited to form a storage node. The circuit current I flowing from the power supply terminal to the ground terminal via the load element, the three-terminal element, and the single-electron transistor periodically increases and decreases with respect to the storage node voltage V. The intersection of the load curve of the load element and the periodically increasing / decreasing IV characteristic becomes a stable point, and functions as a multi-value storage circuit. Further, a switch for switching connection / disconnection between the bit line and the storage node by a voltage applied to the word line may be further provided. A multi-level memory cell is composed of the switch and the function as the multi-level storage circuit. The switch may be a field-effect transistor in which one source / drain electrode is connected to a bit line, the other source / drain electrode is connected to a storage node, and the gate electrode is connected to a word line.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
電子回路の実施の形態について詳細に説明する。
Next, an embodiment of an electronic circuit according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0019】(第1の実施の形態)図1は、本発明の第
1の実施の形態である単電子トランジスタ論理回路の構
成を示す回路図である。この単電子トランジスタ論理回
路は、図11に示したのと同じ構成の単電子トランジス
タ1と、3端子素子としての電界効果トランジスタ21
と、負荷素子10とから構成されている。単電子トラン
ジスタ1のドレイン電極Dは電界効果トランジスタ21
のソース電極(第1の端子)に接続され、電界効果トラ
ンジスタ21のドレイン電極(第2の端子)は負荷素子
10の一端に接続されている。電界効果トランジスタ2
1のゲート電極(第3の端子)に、一定の電圧Vggを印
加するバイアス電圧端子22が接続され、負荷素子10
の他端に、電圧Vddを印加する電源端子が接続され、単
電子トランジスタ1のソース電極Sに、接地端子が接続
されている。また、単電子トランジスタ1のゲートGに
入力端子8が接続され、電界効果トランジスタ21のド
レイン電極と負荷素子10の接続点に出力端子9が接続
されている。
(First Embodiment) FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a single-electron transistor logic circuit according to a first embodiment of the present invention. This single-electron transistor logic circuit includes a single-electron transistor 1 having the same configuration as that shown in FIG.
And a load element 10. The drain electrode D of the single electron transistor 1 is a field effect transistor 21
And the drain electrode (second terminal) of the field-effect transistor 21 is connected to one end of the load element 10. Field effect transistor 2
A bias voltage terminal 22 for applying a constant voltage Vgg is connected to one gate electrode (third terminal), and the load element 10
The power supply terminal for applying the voltage Vdd is connected to the other end of the power supply, and the ground terminal is connected to the source electrode S of the single-electron transistor 1. The input terminal 8 is connected to the gate G of the single-electron transistor 1, and the output terminal 9 is connected to a connection point between the drain electrode of the field-effect transistor 21 and the load element 10.

【0020】電界効果トランジスタ21をオン状態にす
る閾値電圧をVthとすると、電界効果トランジスタ21
のソース電圧はVgg−Vthとなる。電界効果トランジス
タ21のゲート電圧Vggは一定であり、また電界効果ト
ランジスタ21のソース電圧はドレイン電圧(出力端子
電圧Vout )の影響をほとんど受けないので、ソース電
圧はVgg−Vthにほぼ固定される。単電子トランジスタ
1のドレイン電圧は電界効果トランジスタ21のソース
電圧Vgg−Vthに等しく、単電子トランジスタ1のソー
ス電圧はゼロであるから、単電子トランジスタ1のソー
ス・ドレイン間電圧VdsもVgg−Vthにほぼ固定され
る。したがって、Vgg−Vthがe/Ctota l 以下となる
ように設定することにより、単電子トランジスタ1にお
いてクーロンブロッケイド状態を維持することができ
る。
Turning on the field effect transistor 21
Threshold voltage VthThen, the field effect transistor 21
Source voltage is Vgg-VthBecomes Field effect transistors
Gate voltage VggIs constant and the field-effect
The source voltage of the transistor 21 is the drain voltage (output terminal
Voltage Vout) Is hardly affected.
Pressure is Vgg-VthIs almost fixed. Single electron transistor
1 is the source of the field effect transistor 21
Voltage Vgg-VthAnd the saw of single-electron transistor 1
Since the source voltage is zero, the source
-Drain voltage VdsAlso Vgg-VthIs almost fixed to
You. Therefore, Vgg-VthIs e / Ctota lBecomes
By setting as described above, the single-electron transistor 1
Can maintain the Coulomb blockade state
You.

【0021】図2は、負荷素子10として定電流源を用
いた場合の単電子トランジスタ論理回路の構成を示す回
路図である。また、図3は、図2に示す論理回路の特性
図である。この図において、(a)は単電子トランジス
タ1のId −Vgs特性を示す図であり、(b)は図2に
示す論理回路の入出力特性(Vout −Vin特性)を示す
図である。単電子トランジスタ1のドレイン電流I
d は、図3(a)に示すように周期的に増減する。図2
に示す定電流源11の電流I0 は、その単電子トランジ
スタ1のドレイン電流Id の最大値より小さく、最小値
より大きい値に設定される。図3(a)では、電流I0
はドレイン電流Id の最大値と最小値の中間の値に設定
されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a single-electron transistor logic circuit when a constant current source is used as the load element 10. FIG. 3 is a characteristic diagram of the logic circuit shown in FIG. 2A shows the I d -V gs characteristics of the single-electron transistor 1, and FIG. 2B shows the input / output characteristics (V out -V in characteristics) of the logic circuit shown in FIG. It is. Drain current I of single electron transistor 1
d periodically increases and decreases as shown in FIG. FIG.
Current I 0 of the constant current source 11 shown in is smaller than the maximum value of the single-electron transistor 1 drain current I d, is set to the minimum value is greater than value. In FIG. 3A, the current I 0
It is set to an intermediate value between the maximum value and the minimum value of the drain current I d is.

【0022】図3(a)において、単電子トランジスタ
1のゲート・ソース間電圧Vgs(=入力端子電圧Vin
がV1 より小さい場合、単電子トランジスタ1のドレイ
ン電流Id は定電流源11の電流I0 よりも小さいた
め、図3(b)に示すように電界効果トランジスタ21
のドレイン電圧(=出力端子電圧Vout )は電源端子電
圧Vddとほぼ等しくなる。このとき、単電子トランジス
タ1のソース・ドレイン間電圧Vdsは出力端子電圧V
out =Vddの影響をほとんど受けず、ほぼVgg−V
th(<e/Ctotal )のままであるので、ドレイン電流
d の少ない状態(クーロンブロッケイド状態)は維持
される。
In FIG. 3A, a single electron transistor
1 gate-source voltage Vgs(= Input terminal voltage Vin)
Is V1If smaller, the drain of single electron transistor 1
Current IdIs the current I of the constant current source 110Less than
For this reason, as shown in FIG.
Drain voltage (= output terminal voltage Vout) Is the power terminal
Pressure VddIs almost equal to At this time, a single electron transistor
Source-drain voltage VdsIs the output terminal voltage V
out= VddIs almost unaffected bygg-V
th(<E / Ctotal), So the drain current
IdState (Coulomb blockade state) is maintained
Is done.

【0023】また、図3(a)において、Vgs(=
in)がV1 より大きくなると、Id はI0 よりも大き
くなりうるため、図3(b)に示すように電界効果トラ
ンジスタ21のドレイン電圧(=Vout )はソース電圧
gg−Vthとほぼ等しくなる。したがって、V1 の前後
で出力端子電圧Vout はハイレベルからローレベルに切
り替わる。また、図3(a)において、Vgs(=Vin
がV2 より大きくなると、図3(b)に示すように、再
び電界効果トランジスタ21のドレイン電圧(=
out )は電源端子電圧Vddとほぼ等しくなる。したが
って、V2 の前後で出力端子電圧Vout はローレベルか
らハイレベルに切り替わる。
In FIG. 3A, V gs (=
When V in ) is larger than V 1 , I d can be larger than I 0 , so that the drain voltage (= V out ) of the field-effect transistor 21 is equal to the source voltage V gg −V as shown in FIG. It is almost equal to th . Accordingly, the output terminal voltage V out before and after the V 1 was switched from high level to low level. In FIG. 3A, V gs (= V in )
When There greater than V 2, as shown in FIG. 3 (b), again the drain voltage of the field effect transistor 21 (=
V out ) becomes substantially equal to the power supply terminal voltage V dd . Accordingly, the output terminal voltage V out before and after the V 2 is switched from the low level to the high level.

【0024】以後これを繰り返し、V3 ,・・・,V11
の前後で出力端子電圧Vout はハイレベルからローレベ
ルに切り替わり、V4 ,・・・,V12の前後で出力端子
電圧Vout はローレベルからハイレベルに切り替わる。
したがって、図2に示した論理回路は、入力端子電圧V
inとしてゼロからV2までの間を利用すれば、2値のイ
ンバータとして機能する。また、R値の多値入力に対し
ては、所定の入力レベルに対してゼロレベル又は(R−
1)レベルを出力する一種のリテラルゲートとして機能
する。
Thereafter, this is repeated, and V 3 ,..., V 11
, The output terminal voltage V out switches from a high level to a low level, and before and after V 4 ,..., V 12 , the output terminal voltage V out switches from a low level to a high level.
Therefore, the logic circuit shown in FIG.
By utilizing between zero and V 2 as in, functions as an inverter binary. For a multi-valued R value input, a predetermined input level is set to zero level or (R−
1) Functions as a kind of literal gate that outputs a level.

【0025】この論理回路では、上述したように、出力
端子電圧Vout が電源端子電圧Vddに等しいハイレベル
の状態でも、単電子トランジスタ1のソース・ドレイン
間電圧VdsはほぼVgg−Vthのままであり、ドレイン電
流Id の少ない状態(クーロンブロッケイド状態)は維
持される。よって、電源端子電圧Vddを大きくして、ハ
イレベルの電圧Vddとローレベルの電圧Vgg−Vthとの
差である出力振幅を大きくすることができる。
In this logic circuit, as described above, even when the output terminal voltage Vout is at a high level equal to the power supply terminal voltage Vdd , the source-drain voltage Vds of the single-electron transistor 1 is substantially equal to Vgg- V. th remains less state (Coulomb blockade state) of the drain current I d is maintained. Therefore, the power supply terminal voltage Vdd can be increased, and the output amplitude, which is the difference between the high-level voltage Vdd and the low-level voltage Vgg - Vth , can be increased.

【0026】このように出力振幅を大きくするために電
源端子電圧Vddを大きくしても、単電子トランジスタ1
のドレイン電圧はVgg−Vthにほぼ固定される。このた
め、出力振幅と入力振幅との比によって決まる電圧利得
は、単電子島5の電位に対する負帰還作用によってCg
/Cd に制限されることはない。よって、ゲートキャパ
シタ4の容量Cg を小さく抑えても電圧利得を大きくす
ることができるので、論理回路の動作温度Tを低温領域
に制限することなく電圧利得を大きくすることができ
る。
Even if the power supply terminal voltage Vdd is increased in order to increase the output amplitude, the single-electron transistor 1
Is substantially fixed at V gg −V th . Therefore, the voltage gain determined by the ratio between the output amplitude and the input amplitude is C g due to the negative feedback effect on the potential of the single electron island 5.
It is not limited to / Cd . Therefore, even if the capacitance C g of the gate capacitor 4 is kept small, the voltage gain can be increased, so that the voltage gain can be increased without limiting the operating temperature T of the logic circuit to a low temperature region.

【0027】図2に示した論理回路は、負荷素子10と
して定電流源11を用いている。定電流源11は、内部
抵抗が高く、ゼロ近傍から電源端子電圧Vddまでの広い
電圧範囲を出力できるので、出力振幅及び電圧利得を大
きくすることができる。しかし、単調増加する電流・電
圧特性を有していれば、例えば抵抗負荷などの他種の負
荷素子10を用いても同様の機能を実現できる。
The logic circuit shown in FIG. 2 uses a constant current source 11 as the load element 10. Since the constant current source 11 has a high internal resistance and can output a wide voltage range from near zero to the power supply terminal voltage Vdd , the output amplitude and the voltage gain can be increased. However, the same function can be realized by using other types of load elements 10 such as a resistance load, for example, as long as the current / voltage characteristics increase monotonously.

【0028】また、図1,図2に示した論理回路では、
単電子トランジスタ1のドレイン電圧を固定するために
電界効果トランジスタ21を用いたが、相互コンダクタ
ンスの逆数が単電子トランジスタ1のトンネル接合2,
3の抵抗に比べて充分に小さく、負荷素子10に接続さ
れた第2の端子の出力抵抗が単電子トランジスタ1のト
ンネル接合2,3の抵抗に比べて充分に大きく、入力端
子となる第3の端子のリーク電流及びオフ状態における
上記第2の端子のリーク電流がオン状態における単電子
トランジスタ1のドレイン電流に比べて充分に小さいな
らば、他種の3端子素子を用いてもよい。ここに、3端
子素子とは、第1の端子と第2の端子との間に流れる電
流を第3の端子に与えられる信号により制御する素子の
ことであり、例えばバイポーラトランジスタなども利用
可能である。
In the logic circuits shown in FIGS. 1 and 2,
Although the field effect transistor 21 is used to fix the drain voltage of the single-electron transistor 1, the reciprocal of the transconductance is different from the tunnel junction 2 of the single-electron transistor 1.
3, the output resistance of the second terminal connected to the load element 10 is sufficiently larger than the resistance of the tunnel junctions 2 and 3 of the single-electron transistor 1, and the third terminal serving as an input terminal. As long as the leak current of the second terminal in the off state and the leak current of the second terminal in the off state are sufficiently smaller than the drain current of the single-electron transistor 1 in the on state, another type of three-terminal element may be used. Here, the three-terminal element is an element that controls a current flowing between the first terminal and the second terminal by a signal given to the third terminal. For example, a bipolar transistor can be used. is there.

【0029】また、図1,図2に示した論理回路では、
単電子トランジスタ1のソース電極Sを接地端子7に接
続しているが、これは単電子トランジスタ1のソース電
圧を論理回路の電圧レベルの基準としていることを意味
している。したがって、この意味において、接地端子7
はゼロ電位である必要はない。
In the logic circuit shown in FIGS. 1 and 2,
The source electrode S of the single-electron transistor 1 is connected to the ground terminal 7, which means that the source voltage of the single-electron transistor 1 is used as a reference for the voltage level of the logic circuit. Therefore, in this sense, the ground terminal 7
Need not be at zero potential.

【0030】(第2の実施の形態)図4は、本発明の第
2の実施の形態である単電子トランジスタ論理回路の構
成を示す回路図である。この図では、図1,図2と同一
部分を同一符号で示している。この単電子トランジスタ
論理回路では、単電子トランジスタ1のドレイン電圧を
固定するためにデプレッション型すなわち閾値電圧Vth
がマイナスである電界効果トランジスタ23を用い、か
つ電界効果トランジスタ23のゲート電極を接地端子7
に接続してゼロ電位としている。
(Second Embodiment) FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a single-electron transistor logic circuit according to a second embodiment of the present invention. In this figure, the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. In this single-electron transistor logic circuit, in order to fix the drain voltage of the single-electron transistor 1, a depletion type, that is, a threshold voltage V th
Is used, and the gate electrode of the field effect transistor 23 is connected to the ground terminal 7.
To zero potential.

【0031】この場合、電界効果トランジスタ23のソ
ース電圧は閾値電圧Vthの絶対値にほぼ固定される。単
電子トランジスタ1のドレイン電圧は電界効果トランジ
スタ23のソース電圧(閾値電圧Vthの絶対値)に等し
く、単電子トランジスタ1のソース電圧はゼロであるか
ら、単電子トランジスタ1のソース・ドレイン間電圧V
dsも閾値電圧Vthの絶対値にほぼ固定される。単電子ト
ランジスタ1がクーロンブロッケイド状態を維持できる
ようように、閾値電圧Vthの絶対値はe/Cto tal 以下
の値に設定されている。このようにデプレッション型電
界効果トランジスタ23を用いれば、電界効果トランジ
スタ23のゲート電極を接地するだけでよく、別個にバ
イアス電圧Vggを供給する必要がないので、論理回路の
構成を簡略化することができる。
In this case, the source of the field effect transistor 23 is
Source voltage is the threshold voltage VthIs almost fixed to the absolute value of. single
The drain voltage of the electron transistor 1 is a field effect transistor.
The source voltage (the threshold voltage VthThe absolute value of
The source voltage of the single-electron transistor 1 is zero
From the source-drain voltage V of the single-electron transistor 1
dsAlso the threshold voltage VthIs almost fixed to the absolute value of. Single electron
Transistor 1 can maintain Coulomb blockade state
As shown, the threshold voltage VthIs the absolute value of e / Cto talLess than
Is set to the value of Thus, the depletion type
When the field effect transistor 23 is used, a field effect transistor
It is only necessary to ground the gate electrode of the
Ias voltage VggIt is not necessary to supply
The configuration can be simplified.

【0032】また、図4に示した論理回路では、負荷素
子10としてデプレッション型電界効果トランジスタ1
2を用いている。この電界効果トランジスタ12は、ゲ
ート電極・ソース電極間を短絡して電界効果トランジス
タ23のドレイン電極及び出力端子9に接続され、ドレ
イン電極が電源端子6に接続されている。これにより、
電界効果トランジスタ12は内部抵抗の高い擬似的な定
電流源として動作するので、出力振幅及び電圧利得を大
きくすることができる。このようにデプレッション型電
界効果トランジスタ12,23を用いることにより、素
子の種類が2種類、素子の数が3個で論理回路を構成で
きる。このため、論理回路の製造工程を簡略化すること
ができ、また論理回路の占有面積を小さくすることがで
きる。
In the logic circuit shown in FIG. 4, the depletion type field effect transistor 1 is used as the load element 10.
2 is used. The field effect transistor 12 is connected to the drain electrode and the output terminal 9 of the field effect transistor 23 by short-circuiting the gate electrode and the source electrode, and the drain electrode is connected to the power supply terminal 6. This allows
Since the field effect transistor 12 operates as a pseudo constant current source having a high internal resistance, the output amplitude and the voltage gain can be increased. By using the depletion type field effect transistors 12 and 23 in this manner, a logic circuit can be configured with two types of elements and three elements. Therefore, the manufacturing process of the logic circuit can be simplified, and the area occupied by the logic circuit can be reduced.

【0033】(第3の実施の形態)図5は、本発明の第
3の実施の形態である多値記憶回路の構成を示す回路図
である。この図では、図1,図2と同一部分を同一符号
で示している。この多値記憶回路では、図1,図2に示
した単電子トランジスタ論理回路の入力端子8と出力端
子9とを短絡して記憶ノード31としている。単電子ト
ランジスタ1のドレイン電圧が電界効果トランジスタ2
1の作用によりほぼ一定に保たれているため、多値記憶
回路のI−V特性はドレイン電圧が固定された状態の単
電子トランジスタ1のId −Vgs特性とほぼ等しくな
り、回路電流Iは記憶ノード電圧Vに対して周期的に増
減する。このI−V特性に対して負荷曲線が交わるよう
な負荷素子10を接続すると、周期的に増減するI−V
特性に対応して多数の安定点が生じる。
(Third Embodiment) FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a multilevel storage circuit according to a third embodiment of the present invention. In this figure, the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. In this multi-value storage circuit, the input terminal 8 and the output terminal 9 of the single-electron transistor logic circuit shown in FIGS. The drain voltage of the single-electron transistor 1 is equal to that of the field-effect transistor 2
1, the IV characteristic of the multi-valued storage circuit is substantially equal to the I d -V gs characteristic of the single-electron transistor 1 with the drain voltage fixed, and the circuit current I Periodically increases or decreases with respect to the storage node voltage V. When a load element 10 whose load curve intersects the IV characteristic is connected, the IV which periodically increases and decreases
A number of stable points occur corresponding to the characteristics.

【0034】図6は、図5に示した多値記憶回路の回路
電流・記憶ノード電圧間のI−V特性を示す図である。
破線の負荷曲線は、負荷素子10として用いられる電流
0の定電流源11の特性を表している。この破線の負
荷曲線が実線のI−V特性と交わる点P1 ,P2 ,・・
・,P6 が安定点となる。なお、I−V特性の傾きがマ
イナスの部分で交わる点は不安定なため実現しない。図
1,図2に示した論理回路では出力端子9の電圧振幅で
ある出力振幅を大きくできるので、図5に示した多値記
憶回路では記憶ノード31に入力される多値信号の各レ
ベルの電圧を安定点P1 〜P6 の電圧に対応させ、それ
らの安定点の電圧をスタティックに保持させることがで
きる。このように、ドレイン電流Id がゲート・ソース
間電圧Vgsに対して周期的に増減するという単電子トラ
ンジスタ1特有の性質を利用することにより、簡単な構
成で多値記憶回路を実現することができる。
FIG. 6 is a diagram showing an IV characteristic between a circuit current and a storage node voltage of the multilevel storage circuit shown in FIG.
The broken load curve represents the characteristic of the constant current source 11 of the current I 0 used as the load element 10. The points P 1 , P 2 ,... Where the broken load curve intersects the solid line IV characteristic
・, P 6 is the stable point. The point where the slope of the IV characteristic intersects at a negative portion is not realized because it is unstable. In the logic circuit shown in FIGS. 1 and 2, the output amplitude which is the voltage amplitude of the output terminal 9 can be increased. Therefore, in the multi-level storage circuit shown in FIG. voltage to correspond to a stable point voltage of P 1 to P 6, and it is possible to hold the voltage of their stable point statically. As described above, by utilizing the characteristic characteristic of the single-electron transistor 1 that the drain current I d periodically increases and decreases with respect to the gate-source voltage V gs , it is possible to realize a multi-value storage circuit with a simple configuration. Can be.

【0035】(第4の実施の形態)図7は、本発明の第
4の実施の形態である多値記憶回路の構成を示す回路図
である。この図では、図4と同一部分を同一符号で示し
ている。この多値記憶回路では、図4に示した単電子ト
ランジスタ論理回路の入力端子8と出力端子9とを短絡
して記憶ノード31としている。図4に示した論理回路
と同様に、バイアス電圧Vggの供給が不要で、少ない種
類や数の素子で構成できる。図8は、図7に示した多値
記憶回路の回路電流・記憶ノード電圧間のI−V特性を
示す図である。破線の負荷曲線は、負荷素子10として
用いられるゲート電極・ソース電極間を短絡したデプレ
ッション型電界効果トランジスタ12の特性を表してい
る。この負荷曲線が理想的な定電流特性から外れるた
め、安定点P1,P2 ,・・・,P5 の生じる電圧が等
間隔でなくなる等の現象には注意を払う必要がある。
(Fourth Embodiment) FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a multilevel storage circuit according to a fourth embodiment of the present invention. In this figure, the same parts as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. In this multi-value storage circuit, the input terminal 8 and the output terminal 9 of the single-electron transistor logic circuit shown in FIG. Similar to the logic circuit shown in FIG. 4, the supply of the bias voltage V gg is not necessary, and the logic circuit can be configured with a small number of types and a small number of elements. FIG. 8 is a diagram showing an IV characteristic between a circuit current and a storage node voltage of the multi-level storage circuit shown in FIG. The broken load curve represents the characteristic of the depletion-type field effect transistor 12 used as the load element 10 with the gate electrode and the source electrode short-circuited. Since the load curve deviates from the ideal constant current characteristic, a stable point P 1, P 2, · · ·, the phenomena such voltage generated of P 5 is no longer equal intervals it is necessary to pay attention.

【0036】(第5の実施の形態)図9は、本発明の第
5の実施の形態である多値メモリセルの構成を示す回路
図である。この図では、図7と同一部分を同一符号で示
している。図9に示す多値メモリセル40は、図7に示
した多値記憶回路と、アクセス制御用電界効果トランジ
スタ41とから構成されている。電界効果トランジスタ
41の一方のソース・ドレイン電極が、多値信号が与え
られるビットライン42に接続され、電界効果トランジ
スタ41の他方のソース・ドレイン電極が、図7に示し
た多値記憶回路の記憶ノード31に接続され、電界効果
トランジスタ41のゲート電極が、選択電圧が与えられ
るワードライン43に接続されている。この電界効果ト
ランジスタ41は、ビットライン42と記憶ノード31
との接続・接続断をワードライン43に与えられる電圧
により切り替えるスイッチとして機能する。
(Fifth Embodiment) FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a multilevel memory cell according to a fifth embodiment of the present invention. In this figure, the same parts as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. The multi-level memory cell 40 shown in FIG. 9 includes the multi-level storage circuit shown in FIG. 7 and an access control field effect transistor 41. One source / drain electrode of the field effect transistor 41 is connected to a bit line 42 to which a multi-level signal is applied, and the other source / drain electrode of the field effect transistor 41 is connected to the storage of the multi-level storage circuit shown in FIG. The gate electrode of the field effect transistor 41 connected to the node 31 is connected to a word line 43 to which a selection voltage is applied. This field-effect transistor 41 includes a bit line 42 and a storage node 31.
It functions as a switch for switching connection / disconnection with the word line 43 by a voltage applied to the word line 43.

【0037】図10に示すように、多数のビットライン
42及びワードライン43を互いに交差するように配線
し、その交差する領域毎に多値メモリセル40を配置す
ることにより、多数の多値メモリセル40の中から所望
のセルを選択して読み出し・書き込みができるようにな
り、大規模な多値記憶回路を実現できる。同様に、図5
に示した多値記憶回路を用いて、多値メモリセルを構成
してもよい。
As shown in FIG. 10, by arranging a large number of bit lines 42 and word lines 43 so as to intersect with each other and arranging a multi-valued memory cell 40 in each of the intersecting regions, a large number of multi-valued memories are provided. A desired cell can be selected and read / written from the cells 40, and a large-scale multi-valued memory circuit can be realized. Similarly, FIG.
A multi-level memory cell may be configured using the multi-level storage circuit shown in FIG.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、単電
子トランジスタのドレイン電極にカスコード接続された
3端子素子の作用により、出力端子電圧にかかわりな
く、単電子トランジスタのドレイン電圧がクーロンブロ
ッケイド状態を維持できる程度の低い値に保たれる。加
えて、出力端子から単電子島の電位に対する負帰還作用
も抑えられる。この結果、出力振幅及び電圧利得が大き
い単電子トランジスタ論理回路を実現できる。単電子ト
ランジスタのゲート容量を小さく抑えても高い電圧利得
が得られるので、動作温度の高温化に対する制限が緩和
される。
As described above, according to the present invention, the drain voltage of a single-electron transistor can be reduced by Coulomb blockade regardless of the output terminal voltage by the action of a three-terminal element cascode-connected to the drain electrode of the single-electron transistor. It is kept low enough to maintain the condition. In addition, the negative feedback effect on the potential of the single electron island from the output terminal can be suppressed. As a result, a single-electron transistor logic circuit having a large output amplitude and a large voltage gain can be realized. Since a high voltage gain can be obtained even if the gate capacitance of the single-electron transistor is kept small, the restriction on an increase in operating temperature is relaxed.

【0039】また、上記の単電子トランジスタ論理回路
において、3端子素子としてデプレッション型電界効果
トランジスタを用いる。これにより、バイアス電圧の供
給が不要となる。さらに、負荷素子にもデプレッション
型電界効果トランジスタを用いる。これにより、素子の
種類や数が少ない回路構成となり、論理回路の製造工程
を簡略化することができ、また論理回路の占有面積を小
さくすることができる。
In the single-electron transistor logic circuit described above, a depletion type field effect transistor is used as a three-terminal element. This eliminates the need to supply a bias voltage. Further, a depression type field effect transistor is used as the load element. As a result, a circuit configuration with a small number of types and numbers of elements can be obtained, the manufacturing process of the logic circuit can be simplified, and the area occupied by the logic circuit can be reduced.

【0040】また、上記の単電子トランジスタ論理回路
において、入力端子と出力端子を短絡して記憶ノードと
することにより、簡単な構成で多値記憶回路を実現でき
る。また、上記の多値記憶回路の記憶ノードをスイッチ
を介してビットラインとワードラインに接続することに
より、多数のセルから選択して読み出し・書き込みが可
能な大規模な多値記憶回路を実現できる。
Further, in the above-described single-electron transistor logic circuit, a multi-value storage circuit can be realized with a simple configuration by short-circuiting the input terminal and the output terminal to form a storage node. Further, by connecting the storage node of the above-described multi-valued storage circuit to a bit line and a word line via a switch, a large-scale multi-valued storage circuit that can be selected from a large number of cells and can be read and written can be realized. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の第1の実施の形態である単電子トラ
ンジスタ論理回路の構成を示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a single-electron transistor logic circuit according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 負荷素子として定電流源を用いた場合の単電
子トランジスタ論理回路の構成を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a single-electron transistor logic circuit when a constant current source is used as a load element.

【図3】 図2に示す論理回路の特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram of the logic circuit shown in FIG. 2;

【図4】 本発明の第2の実施の形態である単電子トラ
ンジスタ論理回路の構成を示す回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a single-electron transistor logic circuit according to a second embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の第3の実施の形態である多値記憶回
路の構成を示す回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration of a multilevel storage circuit according to a third embodiment of the present invention.

【図6】 図5に示した多値記憶回路の回路電流・記憶
ノード電圧間のI−V特性を示す図である。
6 is a diagram showing IV characteristics between a circuit current and a storage node voltage of the multi-level storage circuit shown in FIG.

【図7】 本発明の第4の実施の形態である多値記憶回
路の構成を示す回路図である。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a multilevel storage circuit according to a fourth embodiment of the present invention.

【図8】 図7に示した多値記憶回路の回路電流・記憶
ノード電圧間のI−V特性を示す図である。
8 is a diagram showing an IV characteristic between a circuit current and a storage node voltage of the multilevel storage circuit shown in FIG.

【図9】 本発明の第5の実施の形態である多値メモリ
セルの構成を示す回路図である。
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a multilevel memory cell according to a fifth embodiment of the present invention.

【図10】 複数の多値メモリセルにより構成された多
値メモリセルアレーの構成を示すブロック図である。
FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration of a multi-level memory cell array including a plurality of multi-level memory cells.

【図11】 一般的な単電子トランジスタの等価回路図
である。
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of a general single-electron transistor.

【図12】 単電子トランジスタのソース・ドレイン間
を流れる電流のゲート・ソース間電圧依存性を示す特性
図である。
FIG. 12 is a characteristic diagram showing gate-source voltage dependence of a current flowing between a source and a drain of a single-electron transistor.

【図13】 単電子トランジスタを用いた抵抗負荷型の
インバータの構成を示す回路図である。
FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a resistance load type inverter using a single electron transistor.

【図14】 単電子トランジスタを用いた記憶回路の要
部構成を示す回路図である。
FIG. 14 is a circuit diagram illustrating a main configuration of a storage circuit including a single-electron transistor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…単電子トランジスタ、2…ドレイントンネル接合、
3…ソーストンネル接合、4…ゲートキャパシタ、5…
単電子島、6…電源端子、7…接地端子、8…入力端
子、9…出力端子、10…負荷素子、11…定電流源、
12…電界効果トランジスタ(デプレッション型)、2
1…電界効果トランジスタ、22…バイアス電圧端子、
23…電界効果トランジスタ(デプレッション型)、3
1…記憶ノード、40…多値メモリセル、41…電界効
果トランジスタ、42…ビットライン、43…ワードラ
イン。
1. Single electron transistor, 2. Drain tunnel junction,
3: Source tunnel junction, 4: Gate capacitor, 5:
Single electron island, 6 power supply terminal, 7 ground terminal, 8 input terminal, 9 output terminal, 10 load element, 11 constant current source,
12. Field effect transistor (depletion type), 2
1: Field effect transistor, 22: bias voltage terminal,
23 ... field effect transistor (depletion type), 3
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Storage node, 40 ... Multi-value memory cell, 41 ... Field effect transistor, 42 ... Bit line, 43 ... Word line.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03K 19/0944 G11C 17/00 641 19/173 101 H03K 19/094 A Fターム(参考) 5B025 AA07 AB01 AC01 AE06 AE07 5F083 FZ01 GA05 ZA21 5J042 AA10 BA02 CA10 CA20 DA01 DA04 5J055 AX62 BX17 CX27 DX12 DX53 DX55 EX02 EX07 EX12 EY21 EZ29 FX22 FX37 GX01 GX02 5J056 AA03 AA32 BB12 CC01 DD17 DD51 EE06 EE11 FF07 FF08 FF09 GG14 KK01 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H03K 19/0944 G11C 17/00 641 19/173 101 H03K 19/094 A F-term (Reference) 5B025 AA07 AB01 AC01 AE06 AE07 5F083 FZ01 GA05 ZA21 5J042 AA10 BA02 CA10 CA20 DA01 DA04 5J055 AX62 BX17 CX27 DX12 DX53 DX55 EX02 EX07 EX12 EY21 EZ29 FX22 FX37 GX01 GX02 5J056 AA03 AA32.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ソース電極及びドレイン電極のそれぞれ
と単電子島との間にトンネル接合が設けられ、ゲート電
極が前記単電子島に容量結合した単電子トランジスタ
と、 第1〜第3の端子を有し、前記第1の端子と第2の端子
との間に流れる電流を前記第3の端子に与えられる信号
により制御する3端子素子と、 前記単電子トランジスタのソース電極とドレイン電極と
の間に流れる電流の最大値より小さく最小値より大きい
電流を流す負荷素子とを備え、 前記単電子トランジスタのドレイン電極は前記3端子素
子の第1の端子に接続され、前記単電子トランジスタの
ゲート電極は入力端子に接続され、前記3端子素子の第
2の端子及び前記負荷素子の一端は出力端子に接続さ
れ、前記負荷素子の他端は電源端子に接続され、前記単
電子トランジスタのソース電極は接地端子に接続され、 前記3端子素子の第1の端子の電圧が電気素量を前記単
電子トランジスタの全容量で割った値以下となるように
前記3端子素子の第3の端子の電圧が設定されているこ
とを特徴とする電子回路。
1. A single-electron transistor in which a tunnel junction is provided between each of a source electrode and a drain electrode and a single-electron island, and a gate electrode is capacitively coupled to the single-electron island; A three-terminal element that controls a current flowing between the first terminal and the second terminal by a signal supplied to the third terminal; and between a source electrode and a drain electrode of the single-electron transistor. A load element for flowing a current smaller than the maximum value and smaller than the maximum value of the current flowing through the drain electrode of the single-electron transistor is connected to the first terminal of the three-terminal element, and the gate electrode of the single-electron transistor is A second terminal of the three-terminal element and one end of the load element are connected to an output terminal; the other end of the load element is connected to a power supply terminal; The source electrode of the transistor is connected to a ground terminal, and the third terminal of the three-terminal element is controlled so that the voltage of the first terminal of the three-terminal element is equal to or less than a value obtained by dividing the elementary charge by the total capacity of the single-electron transistor. An electronic circuit, wherein the voltage of the terminal is set.
【請求項2】 請求項1記載の電子回路において、 前記3端子素子は、電界効果トランジスタであり、 前記3端子素子の第1の端子はソース電極であり、前記
第2の端子はドレイン電極であり、前記第3の端子はゲ
ート電極であり、このゲート電極は、前記電界効果トラ
ンジスタをオン状態にする電圧だけ前記ソース電極の電
圧より高い電圧を印加するバイアス電圧端子に接続され
ていることを特徴とする電子回路。
2. The electronic circuit according to claim 1, wherein the three-terminal element is a field-effect transistor, a first terminal of the three-terminal element is a source electrode, and the second terminal is a drain electrode. The third terminal is a gate electrode, and the gate electrode is connected to a bias voltage terminal for applying a voltage higher than the voltage of the source electrode by a voltage for turning on the field effect transistor. Electronic circuit featuring.
【請求項3】 請求項2記載の電子回路において、 前記電界効果トランジスタは、デプレッション型であ
り、 前記バイアス電圧端子は、前記接地端子であることを特
徴とする電子回路。
3. The electronic circuit according to claim 2, wherein the field-effect transistor is a depression type, and the bias voltage terminal is the ground terminal.
【請求項4】 請求項1〜3いずれか1項記載の電子回
路において、 前記負荷素子は、定電流源であることを特徴とする電子
回路。
4. The electronic circuit according to claim 1, wherein the load element is a constant current source.
【請求項5】 請求項1〜3いずれか1項記載の電子回
路において、 前記負荷素子は、ゲート電極・ソース電極間を短絡して
前記一端とし、ドレイン電極を前記他端としたデプレッ
ション型電界効果トランジスタであることを特徴とする
電子回路。
5. The depletion-type electric field according to claim 1, wherein the load element has a short-circuit between a gate electrode and a source electrode to serve as the one end, and a drain electrode to the other end. An electronic circuit, which is an effect transistor.
【請求項6】 請求項1〜5いずれか1項記載の電子回
路において、 前記入力端子と前記出力端子とを短絡して記憶ノードと
することを特徴とする電子回路。
6. The electronic circuit according to claim 1, wherein the input terminal and the output terminal are short-circuited to form a storage node.
【請求項7】 請求項6記載の電子回路において、 ビットラインと前記記憶ノードとの接続・接続断をワー
ドラインに与えられる電圧により切り替えるスイッチを
更に有することを特徴とする電子回路。
7. The electronic circuit according to claim 6, further comprising a switch for switching connection / disconnection between a bit line and said storage node by a voltage applied to a word line.
【請求項8】 請求項7記載の電子回路において、 前記スイッチは、一方のソース・ドレイン電極が前記ビ
ットラインに接続され他方のソース・ドレイン電極が前
記記憶ノードに接続されゲート電極が前記ワードライン
に接続された電界効果トランジスタであることを特徴と
する電子回路。
8. The electronic circuit according to claim 7, wherein the switch has one source / drain electrode connected to the bit line, the other source / drain electrode connected to the storage node, and a gate electrode connected to the word line. An electronic circuit, wherein the electronic circuit is a field-effect transistor connected to the electronic device.
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