JP3280558B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負性抵抗特性を示
す半導体装置とその応用に関するものであり、特に印加
電圧に関して対称な電圧−電流特性を有する抵抗ヒュー
ズ素子とその素子の画像処理装置への応用に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６（ａ）に共鳴トンネルダイオードと
呼ばれるＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを用いた負性抵抗素子
の断面図を、また図６（ｂ）にその伝導帯図を示す。二
つのイントリンシックＡｌＧａＡｓ層４はバリア層とし
て働き、中間のイントリンシックＧａＡｓ量子井戸層５
に量子準位９を形成する。この構造においてコレクタ７
に印加する電圧を変えると、それに応じて量子井戸中の
量子準位９が変化し、エミッタ８側の電子のエネルギー
（電子は伝導帯端からフェルミレベル１０付近まで存在
している）と量子準位９が一致したとき大きな電流が流
れる。したがって、電流−電圧特性には図７に示すよう
な微分負性抵抗が現れる。この微分負性抵抗を利用して
マイクロ波からミリ波帯に達する超高周波発振やトラン
ジスタと組み合わせた機能論理素子等が提案されてい
る。（なお、共鳴トンネルダイオードには価電子帯の準
位を用いたバンド間共鳴トンネルダイオード等もある
が、以下の問題点は同様である。) これらのダイオードは基本的には対称構造であるため、
電流−電圧特性は印加電圧の極性の正負に対して対称で
あり、本質的に非対称なエサキダイオード等では不可能
な応用も生じる。その一つに図８に示したネットワーク
がある。これは初期視覚過程用抵抗ヒューズネットワー
クと呼ばれる回路網で、雑音を含んだ信号から画像情報
を復元することが出来る。即ち、図８のネットワークに
よれば画像自身の持つ不連続部(エッジ部分)のみを残
し、雑音成分は抑圧することが出来るという特長を持つ
ものである。図８において、ｄ_ij、ｆ_ijは点ｉｊにおけ
る入力、出力電圧をそれぞれ示しており、このネットワ
ークで用いられる抵抗ヒューズ素子の理想的な特性を図
９に示す。(J.G.Harris, C.Koch, and J.Lou," A two-d
imensional analog VLSI circuit for detecting disco
ntinuities in earlyvision," Science, vol.248,pp120
9-1210,1990）。

【０００３】上記ネットワークで用いられる抵抗ヒュー
ズ素子は、図８において隣接点での信号の電圧差がある
値より小さいときは抵抗として働き、出力は平滑化され
るが、それより大きいときは両者の接続は遮断され、平
滑化は生じない。これによって、画像の持つエッジ部分
の不連続部を残したままノイズを抑圧出来る。この抵抗
ヒューズとして（バンド間）共鳴トンネルダイオードを
用いたものが報告されている（H.J.Levy, D.A.Collins,
and T.C.McGill,"Extracting discontinuities inearl
y vision with networks of resonant tunneling diode
s," Proc.1992IEEEInt. Symp. Circuits and Systems,
pp.2041-2044）。この場合、共鳴トンネル素子と抵抗ヒ
ューズの電流−電圧特性の違いが問題となる。つまり、
実際の共鳴トンネル素子は高電圧部分で非共鳴な電流成
分が増え、急激に電流が流れてしまう点が問題である。
これにより、抵抗ヒューズとして使用可能な電圧範囲は
限られることになり、かなり限定されたノイズ低減効果
しか得られない問題点があった。

【０００４】これに対し、高電圧側での電流の増加を抑
え、平坦なバレー電流特性をもつ負性抵抗素子として図
１０に示すような共鳴トンネルダイオードと電界効果型
トランジスタの直列接続回路が知られている（Technica
l Digest of the 1995 International Electron Deveic
e Meeting, p.379）。図１１は図１０に示す回路の負荷
曲線図である。この図１１を用いてこの回路の動作原理
を説明する。この回路は電界効果型トランジスタのソー
ス電位が共鳴トンネルダイオードのスイッチング動作に
よって変化することを利用している。ここで、ダイオー
ドのスイッチングとは、ダイオードの両端にかかる電圧
が図１１のａ点に示す低電圧状態から図１１のｂ点に示
す高電圧状態、即ち負性抵抗特性のバレー電圧位置への
遷移を意味している。電界効果型トランジスタの実効ゲ
ート電圧はゲート電位とソース電位との電位差であるた
め、ダイオードが高電圧状態へスイッチすると実効ゲー
ト電圧が小さくなり、電界効果型トランジスタの電流も
小さくなる。このため、高電圧側の電流増加のない、フ
ラットな電流−電圧特性を実現できる。しかし、この場
合、電流−電圧特性は印加電圧の極性の正負に対して非
対称であり対称性を要求される上記の様な応用が出来な
いと言う問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来公
知の共鳴トンネルダイオードを用いた抵抗ヒューズ素子
においては高電圧側での電流上昇があるために使用電圧
範囲が限定され、また、この高電圧領域での電流上昇を
抑えた共鳴トンネルダイオードと電界効果型トランジス
タとを直列接続した回路構成においては印加電圧の極性
の正負により非対称な特性となり前記画像情報の雑音低
減用の抵抗ヒューズとしては不適切な特性であった。

【０００６】本発明においては上記のような問題点を解
決し、端子電圧極性の正負に対して対称で、かつ高電圧
側に、十分広く平坦な低電流領域をもつ負性抵抗２端子
素子及びそれを用いた前記の初期視覚過程用抵抗ヒュー
ズネットワークによる半導体装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１においては、正負両方向の極性に対して
Ｎ型の負性微分抵抗特性を有するダイオードと、負のし
きい値を持つ二つの電界効果型トランジスタとからな
り、第一のトランジスタのソース電極またはドレイン電
極がダイオードの一つの端子に接続されており、第二の
トランジスタのソースまたはドレイン電極がダイオード
のもう一つの端子に接続され、第一のトランジスタのゲ
ート電極が第二のトランジスタとダイオードの接続点に
接続され、第二のトランジスタのゲート電極が第一のト
ランジスタとダイオードの接続点に接続されており、こ
の接続により印加電圧の極性に対して対称な特性を示
し、かつ高電圧領域に対しても平坦な低電流領域を有す
る抵抗ヒューズ素子を実現している。

【０００８】また、請求項２においては、上記負性微分
抵抗特性を有するダイオードと電界効果型トランジスタ
を直列接続することにより構成された抵抗ヒューズ素子
を２次元ネットワーク状に接続し、その接続点に抵抗成
分を介して信号電圧を入力し、さらに上記ネットワーク
の接続点から出力を取り出すことにより前記の初期視覚
過程用抵抗ヒューズネットワークを構成している。

【０００９】以上のように、本発明によれば負性微分抵
抗特性を有するダイオードの両端に電界効果型トランジ
スタを設置し、これら電界効果型トランジスタのゲート
電極を上記ダイオードの互いに反対側の端子に接続して
いるため、抵抗ヒューズ素子の両端子に印加される電圧
の正負に対して対称で、かつ高電圧側に、十分広くフラ
ットな低電流領域をもつ負性抵抗特性が得られるという
特徴を有している。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に基づいて説明
する。

【００１１】

【実施の形態１】図１に本発明の第一の実施の形態を示
す。これは、図２に示すような電流−電圧特性を持つ共
鳴トンネルダイオードと、図３に示すような電流−電圧
特性を持つデプリーション型電界効果型トランジスタを
組み合わせたものである。ここで電界効果型トランジス
タのしきい値電圧は−０.５Ｖである。この回路は対称
な構造をもっているため、図１において端子Ａ、Ｂにお
ける印加電圧の極性の正負に対して対称な特性を示すこ
とは明らかである。したがって、ここでは、端子Ａの電
圧Ｖ_Aに対して正の極性となる電圧Ｖ_Bを端子Ｂに加えた
場合についてその動作を説明するが、逆の場合も同様で
ある。この場合、電界効果型トランジスタ１のゲート電
圧は端子Ａの印加電圧Ｖ_Aに対して常に正の値であり、
電界効果型トランジスタ１は導通状態にあるためそのコ
ンダクタンスは共鳴トンネルダイオードや電界効果型ト
ランジスタ２に比べて十分大きい。したがって、この方
向では電界効果型トランジスタ１の回路の電流−電圧特
性に与える影響は常に小さく、ほぼ無視できる。ここ
で、共鳴トンネルダイオードへの印加電圧が十分小さい
ときの電流−電圧特性を考える。このとき、共鳴トンネ
ルダイオードは図２の（ｉ）の領域にあり、電界効果型
トランジスタ２に加わるゲート電圧は端子Ｂへの印加電
圧Ｖ_Bに対して負の極性を有しているが、共鳴トンネル
ダイオード３は導通状態にあるためその絶対値は小さ
い。したがって、電界効果型トランジスタ２のゲートバ
イアス電圧が小さいためほぼ導通状態にあり、そのコン
ダクタンスも大きく回路全体の電流値は共鳴トンネルダ
イオードの（ｉ）の領域の導通抵抗によって決定され
る。次に、印加電圧が大きくなり、共鳴トンネルダイオ
ードに加わる電圧がピーク電圧を越えた場合、すなわち
負性抵抗領域に達した場合について説明する。このと
き、共鳴トンネルダイオードの負性抵抗部分（ii）は不
安定なため、ダイオードにかかる電圧は図２の＊１で示
したバレー付近になる。

【００１２】このとき、電界効果型トランジスタ２のゲ
ート電圧は、その絶対値が共鳴トンネルダイオードのバ
レー電圧にほぼ等しい負の値となる（この場合−０.４
Ｖ)。したがって、電界効果型トランジスタ２の特性は
ゲート電圧Ｖ_gが図３の＊２で示した曲線から上記バレ
ー電圧＊３で示した曲線に変化し、回路を流れる電流は
非常に小さくなる。ここから印加電圧をさらに大きくし
ても、トランジスタのドレインコンダクタンスが小さい
ため、すべての電圧は電界効果型トランジスタ２にかか
ってしまい、電流値は一定である。したがって、図４に
示すような対称でフラットな低電流領域を有する負性抵
抗特性が得られることになる。この回路は２端子である
ため、両端子間の電位差のみによって電流が決まり、そ
れらの端子に印加されている電圧の絶対値には依存しな
いことをつけ加えておく。

【００１３】

【実施の形態２】図５は本発明の第２の実施の形態を示
すものであり、上記の抵抗ヒューズ素子を図８に示した
初期視覚過程用抵抗ヒューズネットワークに適用した画
像処理装置である。抵抗を介して画像信号を与え、出力
は各接続点からとる。従来技術の項で述べたように、こ
のネットワークはノイズを含んだ信号から、画像自身の
持つ不連続（エッジ）を残し、ノイズのみを低減できる
という特長がある。本発明の実施の形態１で述べた半導
体装置は理想的な抵抗ヒューズ特性に近く、共鳴トンネ
ルダイオードのみによる場合に比較して効果的なノイズ
低減が可能である。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば対称
で広くフラットなバレー電流特性を示す負性抵抗素子が
容易に得られる。これを用いることにより極めて高集積
かつ高性能なネットワークを構成できるため、画像情報
を実時間で直接処理が可能な回路系（光電変換素子によ
る入出力系も組み込んだニューラルネットワーク回路)
を１チップ上に構築することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１における抵抗ヒューズ素子の回路
図。

【図２】実施の形態１で用いられた共鳴トンネルダイオ
ードの特性図。

【図３】実施の形態１で用いられた電界効果型トランジ
スタの電流−電圧特性図。

【図４】実施の形態１における抵抗ヒューズ素子の電流
−電圧特性図。

【図５】実施の形態１における抵抗ヒューズ素子を適用
して不連続部分を保持しながら画像のノイズ除去を行な
う実施の形態２を示すニューラルネットワーク回路図。

【図６】共鳴トンネルダイオードの(ａ)断面図および
(ｂ)伝導体図。

【図７】共鳴トンネルダイオードの電流−電圧特性図。

【図８】不連続部分を保持しながら画像のノイズ除去を
行なうニューラルネットワークの回路図。

【図９】抵抗ヒューズ素子の電流−電圧特性図。

【図１０】フラットなバレー電圧を示す負性抵抗素子の
従来例の回路図。

【図１１】フラットなバレー電圧を示す負性抵抗素子の
従来例の動作を説明する負荷曲線図。

【符号の説明】

１…電界効果型トランジスタ１ ２…電界効果型トランジスタ２ ３…共鳴トンネルダイオード ４…イントリンシック-ＡｌＧａＡｓ層 ５…イントリンシック-ＧａＡｓ量子井戸層 ６…基板 ７…コレクタ ８…エミッタ ９…量子準位 １０…フェルミレベル １１…ＡｌＧａＡｓバリア １２…ＧａＡｓ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/86 H01L 29/88 H01C 13/00 H01L 21/8234 H01L 27/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正負両方向にＮ型の負性微分抵抗特性を有
   するダイオードと、負のしきい値を持つ二つの電界効果
   型トランジスタとからなり、第一のトランジスタのソー
   スまたはドレイン電極が上記ダイオードの一つの端子に
   接続されており、第二のトランジスタのソースまたはド
   レイン電極が上記ダイオードの他の一つの端子に接続さ
   れ、第一のトランジスタのゲート電極が第二のトランジ
   スタと上記ダイオードの接続点に接続され、第二のトラ
   ンジスタのゲート電極が第一のトランジスタと上記ダイ
   オードの接続点に接続されていることを特徴とする半導
   体装置。
2. 【請求項２】上記、請求項１に記載の半導体装置を２次
   元ネットワーク状に接続し、その接続点に抵抗成分を介
   して信号電圧を入力し、さらに上記ネットワークの接続
   点から出力を取り出すことを特徴とする半導体装置。