CN110870163A - 供电装置及非接触供电系统 - Google Patents

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Abstract

提高非接触供电系统的传输效率。提供一种供电装置，该供电装置包括：供电线圈；控制装置；检测装置；以及移动装置，该供电线圈具有产生磁场的功能，该控制装置与该供电线圈及该检测装置电连接并具有决定该供电线圈的位置的功能及发送位置控制信号的功能，该移动装置具有接收该位置控制信号的功能及根据该位置控制信号移动该供电线圈的功能，该检测装置包括第一检测线圈及第二检测线圈，该第一检测线圈具有产生磁场的功能，并且该第二检测线圈具有检测磁通密度的变化的功能。

Description

供电装置及非接触供电系统
技术领域
本发明的一个方式涉及一种供电装置及非接触供电系统。
本发明的一个方式不限定于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。另外，本发明的一个方式涉及一种工序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或者组合物(composition of matter)。因此，作为在本说明书中更具体地公开的本发明的一个方式的技术领域的例子，可以举出半导体装置、显示装置、发光装置、蓄电装置、摄像装置、存储装置、这些装置的驱动方法或这些装置的制造方法。
背景技术
正在开发以非接触方式对电池进行充电的方法。作为代表性的方式，可以举出电磁耦合方式(也称为电磁感应方式)、电磁共振方式(也称为电磁共振耦合方式)、电波方式(也称为微波方式)等。
在是电磁耦合方式及电磁共振方式的非接触供电方法的情况下，接收电力的装置(以下，受电装置)所包括的受电线圈和供应电力的装置(以下，供电装置)所包括的供电线圈的位置关系的最优化可以是提高非接触供电的传输效率的方法之一。因此，对用来通过根据受电线圈的位置移动供电线圈来使受电线圈和供电线圈的位置关系最优化的技术进行了研发。
专利文献1公开了具有检测受电装置所包括的受电线圈的位置并根据受电线圈的位置移动供电线圈的功能的电磁共振方式供电装置。
此外，专利文献2公开了具有检测受电装置所包括的受电线圈的位置并根据受电线圈的位置移动供电线圈的功能的电磁耦合方式的供电装置。
[先行技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开第2012-147659号公报
[专利文献2]日本专利申请公开第2013-240276号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的供电装置。例如，本发明的一个方式的目的之一是在具有检测受电装置所包括的受电线圈的位置并根据受电线圈的位置移动供电线圈的功能的电磁感应方式的供电装置中提高受电线圈的位置的检测精度。此外，本发明的一个方式的目的之一是在该供电装置中以更高的精度更容易或更准确地决定供电线圈的最合适的位置。
本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的非接触供电系统。本发明的一个方式的目的之一是提高非接触供电系统的传输效率。本发明的一个方式的目的之一是提高非接触供电系统的方便性。
注意，本发明的一个方式的目的不局限于上述目的。上述列举的目的并不妨碍其他目的的存在。另外，其他目的是本部分没有提到而将在下面的记载中进行说明的目的。所属技术领域的普通技术人员可以从说明书或附图等的记载中导出并适当抽出本部分没有提到的目的。另外，本发明的一个方式实现上述记载及/或其他目的中的至少一个目的。
解决技术问题的手段
本发明的一个方式是一种供电装置，包括：供电线圈；控制装置；检测装置；以及移动装置，该供电线圈具有产生磁场的功能，该控制装置与该供电线圈及该检测装置电连接并具有决定该供电线圈的位置的功能及发送位置控制信号的功能，该移动装置具有接收该位置控制信号的功能及根据该位置控制信号移动该供电线圈的功能，该检测装置包括第一检测线圈及第二检测线圈，该第一检测线圈具有产生磁场的功能，并且该第二检测线圈具有检测磁通密度的变化的功能。
此外，本发明的一个方式是一种供电装置，包括：供电线圈；控制装置；检测装置；以及移动装置，该供电线圈具有产生磁场的功能，该控制装置与该供电线圈及该检测装置电连接并具有决定该供电线圈的位置的功能及发送位置控制信号的功能，该移动装置具有接收该位置控制信号的功能及根据该位置控制信号移动该供电线圈的功能，该检测装置具有第一线圈群及第二线圈群，并且该第二线圈群位于由该第一线圈群所包括的线圈中的任一个围绕的区域。
更优选的是，在具有上述各结构的供电装置中，该第一线圈群和该第二线圈群中的至少任一个包括第一检测线圈和第二检测线圈，该第一检测线圈具有产生磁场的功能，且该第二检测线圈具有检测磁通密度的变化的功能。
更优选的是，在具有上述结构的供电装置中，该控制装置包括神经网络，该神经网络的输入层被输入该检测信息，且从该神经网络的输出层输出该控制信号。
本发明的一个方式是一种非接触供电系统，包括：具有上述各结构的供电装置；以及受电装置，该受电装置包括蓄电装置及受电线圈，该蓄电装置与该受电线圈电连接并利用感应到该受电线圈的电力进行充电的功能，且该控制装置具有根据该受电线圈的位置决定该供电线圈的位置的功能。
发明效果
根据本发明的一个方式可以提供一种新颖的供电装置。根据本发明的一个方式，可以在具有检测受电装置所包括的受电线圈的位置并根据受电线圈的位置移动供电线圈的功能的电磁感应方式的供电装置中，提高受电线圈的位置的检测精度。根据本发明的一个方式，可以在该供电装置中，容易或准确地决定供电线圈的最合适的位置。
根据本发明的一个方式，可以提供一种新颖的非接触供电系统。根据本发明的一个方式，可以提高非接触供电系统的传输效率。根据本发明的一个方式，可以提高非接触供电系统的方便性。
注意，本发明的一个方式的效果不限定于以上列举的效果。以上列举的效果并不妨碍其他效果的存在。其他效果是在下文记载中说明的、本部分中未说明的效果。所属技术领域的普通技术人员可以从说明书或附图等的记载导出并适当地衍生出该在本部分中未说明的效果。此外，本发明的一个方式具有以上列举的效果和/或其他效果中的至少一个效果。因此，本发明的一个方式有时根据情况而不具有以上列举的效果。
附图简要说明
[图1]说明本发明的一个方式的框图及立体图。
[图2]说明本发明的一个方式的俯视图及立体图。
[图3]说明本发明的一个方式的俯视图及立体图。
[图4]说明本发明的一个方式的立体图。
[图5]说明本发明的一个方式的流程图。
[图6]说明本发明的一个方式的框图。
[图7]示出神经网络的结构例子的图。
[图8]示出半导体装置的结构例子的图。
[图9]示出存储电路的结构例子的图。
[图10]示出存储单元的结构例子的图。
[图11]示出电路的结构例子的图。
[图12]时序图。
[图13]示出晶体管的结构例子的图。
[图14]示出能带结构的图。
[图15]示出半导体装置的结构例子的图。
[图16]示出电子设备的结构例子的图。
[图17]示出电子设备的结构例子的图。
[图18]示出电子设备的结构例子的图。
实施发明的方式
(实施方式1)
在本实施方式中，参照图1至图5说明本发明的一个方式的供电装置及非接触供电系统。此外，在本实施方式中，以包括供电装置100及受电装置200的非接触供电系统为例说明本发明的一个方式的供电装置及非接触供电系统。
图1A示出供电装置100及受电装置200的框图。此外，图1B示出供电装置100及电子设备300的立体图。在图1B中，电子设备300放在供电装置100上以对蓄电装置220进行充电。另外，电子设备300安装有受电装置200。此外，受电装置200包括受电线圈210。
首先，说明供电装置100的结构。
如图1A所示，供电装置100包括供电线圈110、交流电源111、控制装置120、检测装置130以及移动装置140。此外，如图1B所示，供电装置100包括围绕供电线圈110、交流电源111、控制装置120、检测装置130及移动装置140的框体150。
在供电装置100中，检测装置130具有检测受电线圈210的位置的功能及发送包括该检测结果的检测信号的功能。另外，控制装置120具有根据该检测信号决定供电线圈110的最合适的位置的功能、发送包括该位置信息的位置控制信号121的功能、发送根据该检测信号而调节供电线圈110的输出的输出控制信号123的功能。移动装置140具有根据位置控制信号121如图1B中的箭头101所示将供电线圈110移动到最合适的位置上的功能。交流电源111具有根据输出控制信号123对供电线圈110供应电压的功能。
因此，供电装置100可以在检测受电线圈210的位置并根据受电线圈210的位置将供电线圈110移动到最合适的位置之后，对受电线圈210进行供电。
控制装置120与交流电源111、检测装置130及移动装置140电连接。控制装置120具有接收从检测装置130发送的检测信号的功能。控制装置120具有根据该检测信号决定供电线圈110的最合适的位置的功能及将包括该位置信息的位置控制信号121发送到移动装置140的功能。控制装置120具有对交流电源111发送根据该检测信号而调节供电线圈110的输出的大小的输出控制信号123的功能。
此外，控制装置120还可以具有如下功能：当控制装置120在供电线圈110向受电线圈210进行的供电的中途判断供电线圈110的实际上的位置与其最合适的位置偏离时，发送包括用来暂停供电的信息的输出控制信号123。
另外，控制装置120还可以包括检测受电装置200所包括的蓄电装置220的充满电的充满电检测电路。此外，控制装置120还可以具有在检测出蓄电装置220的充满电时对交流电源111发送包括用来结束供电的信息的输出控制信号123(下面也称为结束信号)的功能。
通过将神经网络用于控制装置120，可以以更高的精度更容易根据检测信号决定供电线圈110的最合适的位置。参照实施方式2说明将神经网络用于控制装置120的结构的详细内容。
交流电源111与供电线圈110电连接。交流电源111具有接收输出控制信号123的功能。交流电源111具有根据输出控制信号123对供电线圈110供应电压的功能。交流电源111具有根据输出控制信号123暂停向供电线圈110的电压供应的功能。
供电线圈110具有因移动装置140的工作而移动的功能及利用交流电源111所供应的电压产生磁场的功能。因此，供电线圈110可以在根据受电线圈210的位置移动到最合适的位置之后对受电线圈210进行供电。
另外，供电装置100既可以包括单个供电线圈110，又可以包括多个供电线圈110。通过使用包括多个供电线圈110的供电装置100，可以对多个受电装置进行供电。
如图1A所示，检测装置130包括多个检测线圈。检测装置130例如是印刷电路板等，检测线圈由形成在基板上的印刷电路构成。此外，检测装置130也可以由基板、设置于该基板的小型线圈或片式电感器等构成。在后面描述检测线圈的配置方法、形状及尺寸等的详细内容。
检测装置130所包括的检测线圈具有检测受电线圈210的位置并将包括该检测结果的检测信号发送到控制装置120的功能。通过检测出检测线圈周围的磁通密度的变化，可以检测受电线圈210的位置。另外，检测装置130所包括的所有检测线圈可以具有同一功能，或者检测装置130所包括的部分检测线圈和检测装置130所包括的其他的部分检测线圈可以具有互不相同的功能。
图1A示出检测装置130包括其功能互不相同的检测线圈131及检测线圈132的例子。检测线圈131具有产生磁场的功能。检测线圈132具有检测磁通密度的变化而对控制装置120发送检测信号的功能。
注意，检测线圈131产生磁场的目的是检测受电线圈210的位置，该目的与供电线圈110产生磁场的目的不同。因此，可以说，检测线圈131所产生的磁场强度的最大值比供电线圈110为供电而产生的磁场强度的最大值小。
如上所述，当将神经网络用于控制装置120时，即使检测信号复杂，也可以根据该检测信号准确地决定供电线圈110的最合适的位置，所以是优选的。
如图1A所示，移动装置140具有接收位置控制信号121的功能及根据位置控制信号121移动供电线圈110的功能。供电线圈110与检测装置130所包括的基板等水平地移动。在后面描述移动装置140的结构的详细内容。
上面说明了供电装置100的结构。
接着，说明受电装置200的结构。
如图1A所示，受电装置200包括蓄电装置220及受电线圈210。此外，如图1B所示，受电装置200也可以安装在电子设备300中。
受电线圈210具有由包括在供电装置100中的供电线圈110所产生的磁场接收电力的功能。
蓄电装置220与受电线圈210电连接，并具有用受电线圈210所接收的电力进行充电的功能。
上面说明了受电装置200的结构。
接着，参照图2详细地说明检测装置130所包括的检测线圈。
检测装置130所包括的检测线圈属于第一检测线圈群至第N(N是2以上的自然数)检测线圈群中任一个。此外，属于第n(n是2以上且N以下的自然数)检测线圈群的检测线圈中的多个位于由属于第(n-1)的检测线圈群的检测线圈中任一个围绕的区域。
通过采用此结构来抑制在各自属于不同群的检测线圈之间产生磁场的干扰，从而可以在属于相同的群的检测线圈之间产生更稳定的磁场。此外，还可以在属于相同的群的检测线圈之间以更高的精度检测磁通密度的变化。
例如，在检测装置130包括具有产生磁场的功能的检测线圈131及具有检测磁通密度的变化而对控制装置120发送检测信号的功能的检测线圈132时，可以在属于相同的群的检测线圈131之间产生更稳定的磁场。此外，此时还可以在属于相同的群的检测线圈132之间以更高的精度检测磁通密度的变化。因此，通过采用此结构，可以提高检测装置的检测精度。
图2A示出检测装置130的俯视图的一个例子。此外，图2B示出检测装置130的一部分的立体图。
图2示出检测装置130所包括的检测线圈属于第一线圈群及第二检测线圈群中的任一个的例子。此外，图2示出检测装置130包括具有产生磁场的功能的检测线圈131及具有检测磁通密度的变化而对控制装置120发送检测信号的功能的检测线圈132的情况的例子。
图2A所示的检测装置130包括基板135、两个检测线圈131a、两个检测线圈132a、八个检测线圈131b及八个检测线圈132b。检测线圈131a、检测线圈132a、检测线圈131b及检测线圈132b是形成在基板135上的印刷电路。
在图2A中，作为属于第一检测线圈群的检测线圈的具体例子示出检测线圈131a及132a。此外，作为属于第二检测线圈群的检测线圈的具体例子示出检测线圈131b及检测线圈132b。作为具有产生磁场的功能的检测线圈131的具体例子示出检测线圈131a及131b。作为具有对控制装置120发送检测信号的功能的检测线圈132的具体例子示出检测线圈132a及检测线圈132b。
在图2A所示的检测装置130中，检测线圈131a的尺寸与检测线圈132a的尺寸相同。此外，两个检测线圈131a和两个检测线圈132a位于区域133a内。
通过采用此结构，可以在两个检测线圈131a之间产生稳定的磁场。此外，可以在两个检测线圈132a之间以更高的精度检测磁通密度的变化。
在图2A所示的检测装置130中，检测线圈131b的尺寸与检测线圈132b的尺寸相同。检测线圈131b及检测线圈132b的尺寸比检测线圈131a及检测线圈132a的尺寸小。两个检测线圈131b和两个检测线圈132b位于由检测线圈131a和检测线圈132a中的任一个围绕的区域133b。
通过采用此结构，可以在位于同一区域133b的两个检测线圈131b之间产生稳定的磁场。此外，在位于相同的区域133b的两个检测线圈132b之间以更高的精度检测磁通密度的变化。
另外，检测装置130也可以包括位于由检测线圈131b和检测线圈132b中任一个围绕的区域133c(参照图2A)的检测线圈。例如，通过将四个检测线圈设置于区域133c，可以更细致地检测磁通密度的变化，所以是优选的。
在图2A所示的检测装置130中，以彼此不邻接的方式配置两个检测线圈131a。以彼此不邻接的方式配置两个检测线圈132a。以彼此不邻接的方式配置两个检测线圈131b。以彼此不邻接的方式配置两个检测线圈132b。
图2B示出区域133a、位于区域133a的检测线圈131a及检测线圈132a的立体图。此外，图2B还示出表示能够产生在两个检测线圈131a之间的磁场的箭头137。如此，通过采用图2A所示的结构，可以在两个检测线圈131a之间产生稳定的磁场。另外，同样地可以在两个检测线圈131b之间产生稳定的磁场。
如上所述，通过采用图2A所示的结构，可以产生更稳定的磁场并可以以更高的精度检测磁通密度的变化。因此，通过采用检测装置130，可以以更高的精度检测受电线圈的位置。
注意，检测装置130的结构不局限于图2A所示的结构。
接着，参照图3A及图3B说明检测装置130的变形例子。
图3A示出检测装置130的变形例子的俯视图。图3A所示的检测装置130的变形例子包括圆形的基板135、圆形的检测线圈131a、圆形的检测线圈132a、圆形的检测线圈131b及圆形的检测线圈132b。
像图3A所示的检测装置130的变形例子那样，在检测装置130所包括的检测线圈是圆形时，可以形成没有应变的磁场，所以是优选的。
图3B示出检测装置130的变形例子的检测装置136的立体图。检测装置136包括检测装置130a、介电质138及检测装置130b。在检测装置136中，检测装置130a和检测装置130b彼此重叠地配置。此外，介电质138以被夹在检测装置130a和检测装置130b之间的方式配置。
检测装置130a及检测装置130b都可以具有与图2所示的检测装置130同样的结构。
当具有像图3B所示的检测装置136那样的重叠多个检测装置而成的结构时，能够三维地检测磁通密度，所以是优选的。例如，通过使用检测装置136，在将包括受电线圈210的受电装置200邻近于供电装置100时容易检测出检测装置136与受电线圈210的距离，所以是优选的。
上面详细地说明了检测装置130所包括的检测线圈。
接着，参照图4详细地说明移动装置140。
图4A示出移动装置140的一个例子的立体图。图4B示出移动装置140的另一个例子。
图4A所示的移动装置140包括两个轨道141、一个轨道142及一个线圈台143。在移动装置140中，轨道142可以在轨道141上平稳地移动。线圈台143可以在轨道142上平稳地移动。线圈台143包括由电子发动器驱动的轮胎144。可以在线圈台上安装供电线圈110。
通过采用此结构，移动装置140可以使供电线圈110与检测装置130所包括的基板等水平地移动。
图4B所示的移动装置140包括两个轨道141、两个轨道142及两个线圈台143。通过采用此结构，也可以实现能够使多个供电线圈110移动的移动装置140。
上面详细地说明了移动装置140。注意，移动装置140的结构并不局限于图4所示的结构。
接着，详细地说明供电装置100的工作方法。图5示出说明供电装置100的供电方法的流程图。
首先，受电装置200放置在供电装置100上，然后供电装置100开始工作(参照图5(T0))。
《第一步骤》
在第一步骤中，决定最合适的供电线圈的位置(参照图5(T1))。如上所述，可以通过在控制装置120中处理从检测装置130发送的检测信号来决定供电线圈110的最合适的位置。
《第二步骤》
在第二步骤中，供电线圈110移动(参照图5(T2))。如上所述，移动装置140具有使供电线圈110移动的功能。
《第三步骤》
在第三步骤中，开始供电(参照图5(T3))。如上所述，供电线圈110具有感应电动势的功能。
《第四步骤》
在第四步骤中，判断受电线圈210是否移动(参照图5(T4))。当判断受电线圈210移动到与供电开始时的位置不同的位置时进入第五步骤，而在判断受电线圈210没有从供电开始时的位置移动时进入第六步骤。
另外，例如受电线圈210的移动被假设为因包括受电线圈210的受电装置200的振动等而发生。
《第五步骤》
在第五步骤中，供电装置100在暂停供电之后进入第一步骤(参照图5(T5))。由此，即使在供电的中途受电线圈210和供电线圈110的位置关系发生变化也可以防止浪费电力。
另外，供电装置100的工作方法不局限于在第五步骤中暂停供电。例如，也可以进行在减少输出后继续供电等的工作，或者在第四步骤之后不经过第五步骤地进入第一步骤。可以使用控制装置120向交流电源111发送的输出控制信号123来如此控制供电线圈110的输出。
《第六步骤》
在第六步骤中，当交流电源111接收结束信号时结束供电，而在交流电源111不接收结束信号时进入第四步骤(参照图5(T6))。
例如，在受电装置200从供电装置离开时或受电装置200所包括的蓄电装置220成为充满电状态时等，控制装置120发送结束信号。
上面是供电装置100的供电方法。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式2)
在本实施方式中，对将人工知能(AI：ArtificialIntelligence)用于上述实施方式中说明的非接触供电系统的结构例进行说明。
人工智能是指模拟人的智能的计算机的总称。在本说明书等中，人工知能包括人工神经网络(ANN：ArtificialNeuralNetwork)。人工神经网络是指模拟由神经元和突触构成神经网的电路。在本说明书等中，“神经网络”尤其是指人工神经网络。
<控制电路的结构例子>
图6示出控制装置120的结构例子。
图6所示的控制装置120包括位置控制电路122及输出控制电路124。
位置控制电路122及输出控制电路124都具有被供应检测装置130所发送的检测信号的功能。位置控制电路122具有发送位置控制信号121的功能。位置控制电路122包括神经网络NN。输出控制电路124具有发送输出控制信号123的功能。
神经网络NN包括输入层IL、输出层OL及隐藏层(中间层)HL。输入层IL被输入由检测装置130取得的检测信息。
输出层OL、输入层IL、隐藏层HL都包括一个或多个单元(神经元电路)，各单元的输出乘以权重(连接强度)被供应给不同层中的单元。注意，可以任意设定各层的单元数。另外，神经网络NN也可以是具有多个隐藏层HL的网络(DNN：深度神经网络)。有时也将深度神经网络学习称为深层学习。
神经网络NN通过学习获得根据检测信息决定供电线圈110的最合适的位置的功能。当神经网络NN的输入层被输入对应于检测信息的数据时，各层进行运算处理。各层的运算处理例如通过进行从前一层的单元输出的数据与权系数的积和运算而进行。注意，层间连接可以是所有单元彼此连接的完全连接，也可以是部分单元彼此连接的部分连接。并且，对应于供电线圈110的最合适的位置的决定结果的数据从输出层OL输出。
如此，通过将神经网络NN用于位置控制电路122，可以根据检测信号以更高的精度更容易地决定供电线圈110的最合适的位置。
〈神经网络的结构实例〉
接着，说明神经网络NN的更具体的结构实例。图7示出神经网络的结构实例。神经网络由神经元电路NC与设置在神经元电路NC之间的突触电路SC构成。
图7A示出神经元电路NC和突触电路SC的结构实例。向突触电路SC输入输入数据x1至xL(L为自然数)。此外，突触电路SC具有储存权系数wk(k为1以上且L以下的整数)的功能。权系数wk对应于神经元电路NC间的键合强度。
当向突触电路SC输入输入数据x1至xL时，神经元电路NC被供应如下值：对输入到突触电路SC的输入数据xk与储存在突触电路SC中的权系数wk之积(xkwk)在k＝1至L的条件(x1w1+x2w2+…+xLwL)下进行加法而得到的值，即通过使用xk和wk的积和运算得到的值。在该值超过神经元电路NC的阈值θ的情况下，神经元电路NC输出高电平信号。将该现象称为神经元电路NC的发火。
图7B示出使用上述神经元电路NC和突触电路SC的分层神经网络的模型。神经网络包括输入层IL、隐藏层HL、输出层OL。输入层IL包括输入神经元电路IN。隐藏层HL包括隐藏突触电路HS及隐藏神经元电路HN。输出层OL包括输出突触电路OS及输出神经元电路ON。另外，将输入神经元电路IN、隐藏神经元电路HN、输出神经元电路ON的阈值θ分别记载为θI、θH、θO。
向输入层IL供应对应于检测信号的数据x1至xi(i为自然数)，输入层IL的输出被供应到隐藏层HL。向隐藏神经元电路HN供应通过使用输入层IL的输出数据和保持在隐藏突触电路HS中的权系数w的积和运算得到的值。向输出神经元电路ON供应根据使用隐藏神经元电路HN的输出和保持在输出突触电路OS中的权系数w的积和运算得到的值。并且，输出对应于供电线圈110的最合适的位置的数据y。
如此，图7B所示的神经网络具有根据检测信息判断决定供电线圈110的最合适的位置的功能。
此外，可以将梯度下降法等用于神经网络的学习，可以将反向传播算法用于梯度的算出。图7C示出利用反向传播算法进行监督学习的神经网络的模型。
反向传播算法是以神经网络的输出数据与监督数据之间的误差变小的方式改变突触电路的权系数的方法之一。具体而言，根据基于输出数据(数据y)和监督数据(数据t)决定的误差δO而改变隐藏突触电路HS的权系数w。此外，根据隐藏突触电路HS的权系数w的变化量而改变上一级的突触电路SC的权系数w。如此，通过基于监督数据依次改变突触电路SC的权系数，能够进行神经网络NN的学习。
注意，在图7B、图7C中，隐藏层HL是一个，但是隐藏层HL也可以为两个以上。因此，可以进行深度学习。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式3)
在本实施方式中，说明能够用于在实施方式2中说明的神经网络的半导体装置的结构实例。
当神经网络由硬件构成时，神经网络的积和运算可以使用积和运算元件进行。在本实施方式中，对能够用作在神经网络NN的积和运算元件的半导体装置的结构实例进行说明。
<半导体装置的结构实例>
图8示出半导体装置500的结构实例。图8所示的半导体装置500包括存储电路510(MEM)、参考用存储电路520(RMEM)、电路530及电路540。半导体装置500还可以包括电流源电路550(CREF)。
存储电路510(MEM)包括存储单元MC[p，q]及存储单元MC[p+1，q]等存储单元MC。各存储单元MC包括具有将被输入的电位转换为电流的功能的元件。作为具有上述功能的元件，例如可以使用晶体管等有源元件。图8例示出各存储单元MC包括晶体管Tr11的情况。
对存储单元MC从布线WD[q]等布线WD输入第一模拟电位。第一模拟电位对应于第一模拟数据。存储单元MC具有生成对应于第一模拟电位的第一模拟电流的功能。具体而言，可以将在对晶体管Tr11的栅极供应第一模拟电位时得到的晶体管Tr11的漏极电流用作第一模拟电流。以下，将流过存储单元MC[p，q]的电流称为I[p，q]，将流过存储单元MC[p+1，q]的电流称为I[p+1，q]。
在晶体管Tr11在饱和区域中工作的情况下，漏极电流不依赖于源极与漏极之间的电压，而被栅极电压与阈值电压的差分控制。因此，优选使晶体管Tr11在饱和区域中工作。为了使晶体管Tr11在饱和区域中工作，适当地将栅极电压及源极与漏极之间的电压设定为能够使晶体管Tr11在饱和区域中工作的电压范围。
具体而言，在图8所示的半导体装置500中，对存储单元MC[p，q]从布线WD[q]输入第一模拟电位Vx[p，q]或对应于第一模拟电位Vx[p，q]的电位。存储单元MC[p，q]具有生成对应于第一模拟电位Vx[p，q]的第一模拟电流的功能。此时存储单元MC[p，q]的电流I[p，q]相当于第一模拟电流。
具体而言，在图8所示的半导体装置500中，对存储单元MC[p+1，q]从布线WD[q]输入第一模拟电位Vx[p+1，q]或对应于第一模拟电位Vx[p+1，q]的电位。存储单元MC[p+1，q]具有生成对应于第一模拟电位Vx[p+1，q]的第一模拟电流的功能。此时存储单元MC[p+1，q]的电流I[p+1，q]相当于第一模拟电流。
存储单元MC具有保持第一模拟电位的功能。换言之，存储单元MC具有保持对应于第一模拟电位的第一模拟电流的功能。
对存储单元MC从布线RW[p]及布线RW[p+1]等布线RW输入第二模拟电位。第二模拟电位对应于第二模拟数据。存储单元MC具有对已保持的第一模拟电位加上第二模拟电位或对应于第二模拟电位的电位的功能及保持通过该加法得到的第三模拟电位的功能。存储单元MC还具有生成对应于第三模拟电位的第二模拟电流的功能。换言之，存储单元MC具有保持对应于第三模拟电位的第二模拟电流的功能。
具体而言，在图8所示的半导体装置500中，对存储单元MC[p，q]从布线RW[p]输入第二模拟电位Vw[p，q]。存储单元MC[p，q]具有保持对应于第一模拟电位Vx[p，q]及第二模拟电位Vw[p，q]的第三模拟电位的功能。另外，存储单元MC[p，q]具有生成对应于第三模拟电位的第二模拟电流的功能。此时存储单元MC[p，q]的电流I[p，q]相当于第二模拟电流。
另外，在图8所示的半导体装置500中，对存储单元MC[p+1，q]从布线RW[p+1]输入第二模拟电位Vw[p+1，q]。存储单元MC[p+1，q]具有保持对应于第一模拟电位Vx[p+1，q]及第二模拟电位Vw[p+1，q]的第三模拟电位的功能。另外，存储单元MC[p+1，q]具有生成对应于第三模拟电位的第二模拟电流的功能。此时存储单元MC[p+1，q]的电流I[p+1，q]相当于第二模拟电流。
电流I[p，q]通过存储单元MC[p，q]流过布线BL[q]与布线VR[q]之间。电流I[p+1，q]通过存储单元MC[p+1，q]流过布线BL[q]与布线VR[q]之间。因此，相当于电流I[p，q]与电流I[p+1，q]之和的电流I[q]通过存储单元MC[p，q]及存储单元MC[p+1，q]流过布线BL[q]与布线VR[q]之间。
参考用存储电路520(RMEM)包括存储单元MCR[p]及存储单元MCR[p+1]等存储单元MCR。对存储单元MCR从布线WDREF输入第一参考电位VPR。存储单元MCR具有生成对应于第一参考电位VPR的第一参考电流的功能。以下，将流过存储单元MCR[p]的电流称为IREF[p]，将流过存储单元MCR[p+1]的电流称为IREF[p+1]。
具体而言，在图8所示的半导体装置500中，对存储单元MCR[p]从布线WDREF输入第一参考电位VPR。存储单元MCR[p]具有生成对应于第一参考电位VPR的第一参考电流的功能。此时存储单元MCR[p]的电流IREF[p]相当于第一参考电流。
另外，在图8所示的半导体装置500中，对存储单元MCR[p+1]从布线WDREF输入第一参考电位VPR。存储单元MCR[p+1]具有生成对应于第一参考电位VPR的第一参考电流的功能。此时存储单元MCR[p+1]的电流IREF[p+1]相当于第一参考电流。
存储单元MCR具有保持第一参考电位VPR的功能。换言之，存储单元MCR具有保持对应于第一参考电位VPR的第一参考电流的功能。
对存储单元MCR从布线RW[p]及布线RW[p+1]等布线RW输入第二模拟电位。存储单元MCR具有对已保持的第一参考电位VPR加上第二模拟电位或对应于第二模拟电位的电位的功能及保持通过该加法得到的第二参考电位的功能。存储单元MCR还具有生成对应于第二参考电位的第二参考电流的功能。换言之，存储单元MCR具有保持对应于第二参考电位的第二参考电流的功能。
具体而言，在图8所示的半导体装置500中，对存储单元MCR[p]从布线RW[p]输入第二模拟电位Vw[p，q]。存储单元MCR[p]具有保持对应于第一参考电位VPR及第二模拟电位Vw[p，q]的第二参考电位的功能。另外，存储单元MCR[p]具有生成对应于第二参考电位的第二参考电流的功能。此时存储单元MCR[p]的电流IREF[p]相当于第二参考电流。
另外，在图8所示的半导体装置500中，对存储单元MCR[p+1]从布线RW[p+1]输入第二模拟电位Vw[p+1，q]。存储单元MCR[p+1]具有保持对应于第一参考电位VPR及第二模拟电位Vw[p+1，q]的第二参考电位的功能。另外，存储单元MCR[p+1]具有生成对应于第二参考电位的第二参考电流的功能。此时存储单元MCR[p+1]的电流IREF[p+1]相当于第二参考电流。
电流IREF[p]通过存储单元MCR[p]流过布线BLREF与布线VRREF之间。电流IREF[p+1]通过存储单元MCR[p+1]流过布线BLREF与布线VRREF之间。因此，相当于电流IREF[p]与电流IREF[p+1]之和的电流IREF通过存储单元MCR[p]及存储单元MCR[p+1]流过布线BLREF与布线VRREF之间。
电流源电路550具有将与流过布线BLREF的电流IREF相同的值的电流或者对应于电流IREF的电流供应到布线BL的功能。当设定后述的偏移电流时，在通过存储单元MC[p，q]及存储单元MC[p+1，q]流过布线BL[q]与布线VR[q]之间的电流I[q]不同于通过存储单元MCR[p]及存储单元MCR[p+1]流过布线BLREF与布线VRREF之间的电流IREF的情况下，差分电流流过电路530或电路540。电路530具有电流拉出电路(current source circuit)的功能，电路540具有电流灌入电路(current sink circuit)的功能。
具体而言，电路530具有在电流I[q]大于电流IREF的情况下生成相当于电流I[q]与电流IREF的差分的电流ΔI[q]的功能。另外，电路530具有将所生成的电流ΔI[q]供应到布线BL[q]的功能。换言之，电路530具有保持电流ΔI[q]的功能。
具体而言，电路540具有在电流I[q]小于电流IREF的情况下生成相当于电流I[q]与电流IREF的差分的电流ΔI[q]的功能。另外，电路540具有将所生成的电流ΔI[q]从布线BL[q]灌入的功能。换言之，电路540具有保持电流ΔI[q]的功能。
接着，对图8所示的半导体装置500的工作实例进行说明。
首先，将对应于第一模拟电位的电位储存于存储单元MC[p，q]。具体而言，从第一参考电位VPR减去第一模拟电位Vx[p，q]而得到的电位VPR-Vx[p，q]通过布线WD[q]被输入到存储单元MC[p，q]。存储单元MC[p，q]保持电位VPR-Vx[p，q]。存储单元MC[p，q]生成对应于电位VPR-Vx[p，q]的电流I[p，q]。例如，将第一参考电位VPR设定为高于接地电位的高电平电位。具体而言，第一参考电位VPR优选高于接地电位且等于或低于供应到电流源电路550的高电平电位VDD。
另外，将第一参考电位VPR储存于存储单元MCR[p]。具体而言，第一参考电位VPR通过布线WDREF被输入到存储单元MCR[p]。存储单元MCR[p]保持第一参考电位VPR。存储单元MCR[p]生成对应于第一参考电位VPR的电流IREF[p]。
另外，将对应于第一模拟电位的电位储存于存储单元MC[p+1，q]。具体而言，从第一参考电位VPR减去第一模拟电位Vx[p+1，q]而得到的电位VPR-Vx[p+1，q]通过布线WD[q]被输入到存储单元MC[p+1，q]。存储单元MC[p+1，q]保持电位VPR-Vx[p+1，q]。存储单元MC[p+1，q]生成对应于电位VPR-Vx[p+1，q]的电流I[p+1，q]。
另外，将第一参考电位VPR储存于存储单元MCR[p+1]。具体而言，第一参考电位VPR通过布线WDREF被输入到存储单元MCR[p+1]。存储单元MCR[p+1]保持第一参考电位VPR。存储单元MCR[p+1]生成对应于第一参考电位VPR的电流IREF[p+1]。
在上述工作中，将布线RW[p]及布线RW[p+1]设定为基准电位。例如，作为基准电位可以使用接地电位或低于接地电位的低电平电位VSS等。或者，当作为基准电位使用电位VSS与电位VDD之间的电位，无论第二模拟电位Vw是正值还是负值，都可以使布线RW的电位高于接地电位，所以容易生成信号，而可以对正值或负值的模拟数据进行乘法，所以是优选的。
通过上述工作，在与布线BL[q]连接的各存储单元MC中生成的电流的总电流流过布线BL[q]。具体而言，在图8中，在存储单元MC[p，q]中生成的电流I[p，q]与在存储单元MC[p+1，q]中生成的电流I[p+1，q]的总电流I[q]流过布线BL[q]。另外，通过上述工作，在与布线BLREF连接的各存储单元MCR中生成的电流的总电流流过布线BLREF。具体而言，在图8中，在存储单元MCR[p]中生成的电流IREF[p]与在存储单元MCR[p+1]中生成的电流IREF[p+1]的总电流IREF流过布线BLREF。
接着，在将布线RW[p]及布线RW[p+1]的电位保持为基准电位的状态下，在电路530或电路540中保持通过第一模拟电位的输入获得的电流I[q]和通过第一参考电位的输入获得的电流IREF之差分的偏移电流Ioffset[q]。
具体而言，在电流I[q]大于电流IREF的情况下，电路530将电流Ioffset[q]供应到布线BL[q]。换言之，流过电路530的电流ICM[q]相当于电流Ioffset[q]。该电流ICM[q]保持在电路530中。另外，在电流I[q]小于电流IREF的情况下，电路540将电流Ioffset[q]从布线BL[q]灌入。换言之，流过电路540的电流ICP[q]相当于电流Ioffset[q]。该电流ICP[q]保持在电路540中。
接着，以对已保持在存储单元MC[p，q]中的第一模拟电位或对应于第一模拟电位的电位加上第二模拟电位或者对应于第二模拟电位的电位的方式将第二模拟电位或者对应于第二模拟电位的电位储存于存储单元MC[p，q]。具体而言，通过将布线RW[p]的电位设定为对基准电位加上Vw[p]的电位，来将第二模拟电位Vw[p]通过布线RW[p]输入存储单元MC[p，q]。存储单元MC[p，q]保持电位VPR-Vx[p，q]+Vw[p]。另外，存储单元MC[p，q]生成对应于电位VPR-Vx[p，q]+Vw[p]的电流I[p，q]。
另外，以对已保持在存储单元MC[p+1，q]中的第一模拟电位或对应于第一模拟电位的电位加上第二模拟电位或者对应于第二模拟电位的电位的方式将第二模拟电位或者对应于第二模拟电位的电位储存于存储单元MC[p+1，q]。具体而言，通过将布线RW[p+1]的电位设定为对基准电位加上Vw[p+1]的电位，来将第二模拟电位Vw[p+1]通过布线RW[p+1]输入存储单元MC[p+1，q]。存储单元MC[p+1，q]保持电位VPR-Vx[p+1，q]+Vw[p+1]。另外，存储单元MC[p+1，q]生成对应于电位VPR-Vx[p+1，q]+Vw[p+1]的电流I[p+1，q]。
在作为将电位转换为电流的元件使用在饱和区域中工作的晶体管Tr11的情况下，假设布线RW[p]的电位为Vw[p]且布线RW[p+1]的电位为Vw[p+1]，由于存储单元MC[p，q]中的晶体管Tr11的漏极电流相当于电流I[p，q]，因此第二模拟电流由以下算式1表示。注意，k为系数，Vth为晶体管Tr11的阈值电压。
I[p，q]＝k(Vw[p]-Vth+VPR-Vx[p，q])2 (算式1)
另外，存储单元MCR[p]中的晶体管Tr11的漏极电流相当于电流IREF[p]，因此第二参考电流由以下算式2表示。
IREF[p]＝k(Vw[p]-Vth+VPR)2 (算式2)
相当于流过存储单元MC[p，q]的电流I[p，q]与流过存储单元MC[p+1，q]的电流I[p+1，q]之和的电流I[q]为ΣiI[p，q]，相当于流过存储单元MCR[p]的电流IREF[p]与流过存储单元MCR[p+1]的电流IREF[p+1]之和的电流IREF为ΣiIREF[p]，相当于电流I[q]与电流IREF之差分的电流ΔI[q]由以下算式3表示。
ΔI[q]＝IREF-I[q]＝ΣiIREF[p]-ΣiI[p，q] (算式3)
根据算式1、算式2及算式3，可以通过以下算式4得出电流ΔI[q]。
ΔI[q]
＝Σi{k(Vw[p]-Vth+VPR)2-k(Vw[p]-Vth+VPR-Vx[p，q])2}
＝2kΣi(Vw[p]·Vx[p，q])-2kΣi(Vth-VPR)·Vx[p，q]-kΣiVx[p，q]2 (算式4)
在算式4中，由2kΣi(Vw[p]·Vx[p，q])表示之項相当于第一模拟电位Vx[p，q]及第二模拟电位Vw[p]的积与第一模拟电位Vx[p+1，q]及第二模拟电位Vw[p+1]的积之和。
另外，如果将电流Ioffset[q]定义为在布线RW[p]的电位都是基准电位时，即，第二模拟电位Vw[p]及第二模拟电位Vw[p+1]都是0时的电流ΔI[q]，则根据算式4可以得出算式5。
Ioffset[q]＝-2kΣi(Vth-VPR)·Vx[p，q]-kΣiVx[p，q]2 (算式5)
因此，根据算式3至算式5，相当于第一模拟数据与第二模拟数据之积和值的2kΣi(Vw[p]·Vx[p，q])可以由以下算式6表示。
2kΣi(Vw[p]·Vx[p，q])＝IREF-I[q]-Ioffset[q] (算式6)
将流过存储单元MC的电流之和称为电流I[q]，将流过存储单元MCR的电流之和称为电流IREF，将流过电路530或电路540的电流称为电流Ioffset[q]。此时，在布线RW[p]的电位为Vw[p]且布线RW[p+1]的电位为Vw[p+1]时从布线BL[q]流出的电流Iout[q]由IREF-I[q]-Ioffset[q]表示。根据算式6可知，电流Iout[q]为2kΣi(Vw[p]·Vx[p，q])，相当于第一模拟电位Vx[p，q]及第二模拟电位Vw[p]的积与第一模拟电位Vx[p+1，q]及第二模拟电位Vw[p+1]的积之和。
晶体管Tr11优选在饱和区域中工作，但是即使晶体管Tr11的工作区域与理想的饱和区域不同，只要能够以所希望的范围内的精度获得相当于第一模拟电位Vx[p，q]及第二模拟电位Vw[p]的积与第一模拟电位Vx[p+1，q]及第二模拟电位Vw[p+1]的积之和的电流，就可以视为晶体管Tr11在饱和区域中工作。
通过本发明的一个方式，可以以不将模拟数据转换为数字数据的方式进行算术处理，因此可以减小半导体装置的电路规模。另外，通过本发明的一个方式，可以以不将模拟数据转换为数字数据的方式进行算术处理，因此可以抑制模拟数据的算术处理所需要的时间。另外，通过本发明的一个方式，可以同时实现模拟数据的算术处理所需要的时间的缩短及半导体装置的低功耗化。
<存储电路的结构实例>
接着，参照图9对存储电路510(MEM)及参考用存储电路520(RMEM)的具体结构实例进行说明。
图9示出存储电路510(MEM)包括y行x列(x、y为自然数)的多个存储单元MC，参考用存储电路520(RMEM)包括y行1列的多个存储单元MCR的情况。
在本说明书等中，晶体管的源极是指用作沟道形成区的半导体层的一部分的源区域或者与该半导体层连接的源电极等。同样地，晶体管的漏极是指为该半导体层的一部分的漏区域或者与该半导体层连接的漏电极等。
晶体管的源极和漏极的名称根据晶体管的导电型及施加到各端子的电位的高低而相互调换。一般而言，在n沟道型晶体管中，将被施加低电位的端子称为源极，而将被施加高电位的端子称为漏极。另外，在p沟道型晶体管中，将被施加低电位的端子称为漏极，而将被施加高电位的端子称为源极。在本说明书中，尽管为方便起见在一些情况下假定源极和漏极是固定的来描述晶体管的连接关系，但是实际上，源极和漏极的名称根据上述电位关系而相互调换。
存储电路510与布线RW、布线WW、布线WD、布线VR及布线BL连接。在图9中，布线RW[1]至布线RW[y]分别与各行的存储单元MC连接，布线WW[1]至布线WW[y]分别与各行的存储单元MC连接，布线WD[1]至布线WD[x]分别与各列的存储单元MC连接，布线BL[1]至布线BL[x]分别与各列的存储单元MC连接。另外，在图9中，布线VR[1]至布线VR[x]分别与各列的存储单元MC连接。布线VR[1]至布线VR[x]可以彼此连接。
参考用存储电路520与布线RW、布线WW、布线WDREF、布线VRREF及布线BLREF连接。在图9中，布线RW[1]至布线RW[y]分别与各行的存储单元MCR连接，布线WW[1]至布线WW[y]分别与各行的存储单元MCR连接，布线WDREF与一列的存储单元MCR连接，布线BLREF与一列的存储单元MCR连接，布线VRREF与一列的存储单元MCR连接。布线VRREF也可以与布线VR[1]至布线VR[x]连接。
接着，作为一个例子，图10示出图9所示的多个存储单元MC中的任意的2行2列的存储单元MC及图9所示的多个存储单元MCR中的任意的2行1列的存储单元MCR的具体电路结构及连接关系。
具体而言，在图10中，示出第p行第q列的存储单元MC[p，q]、第p+1行第q列的存储单元MC[p+1，q]、第p行第q+1列的存储单元MC[p，q+1]及第p+1行第q+1列的存储单元MC[p+1，q+1]。另外，具体而言，图10示出第p行的存储单元MCR[p]及第p+1行的存储单元MCR[p+1]。p及p+1分别为1至y的任意数，q及q+1分别为1至x的任意数。
第p行的存储单元MC[p，q]、存储单元MC[p，q+1]、存储单元MCR[p]与布线RW[p]及布线WW[p]连接。另外，第p+1行的存储单元MC[p+1，q]、存储单元MC[p+1，q+1]及存储单元MCR[p+1]与布线RW[p+1]及布线WW[p+1]连接。
第q列的存储单元MC[p，q]及存储单元MC[p+1，q]与布线WD[q]、布线VR[q]及布线BL[q]连接。另外，第q+1列的存储单元MC[p，q+1]及存储单元MC[p+1，q+1]与布线WD[q+1]、布线VR[q+1]及布线BL[q+1]连接。另外，第p行的存储单元MCR[p]及第p+1行的存储单元MCR[p+1]与布线WDREF、布线VRREF及布线BLREF连接。
存储单元MC的每一个及存储单元MCR的每一个包括晶体管Tr11、晶体管Tr12及电容器C11。晶体管Tr12具有控制对存储单元MC或存储单元MCR输入第一模拟电位的功能。晶体管Tr11具有根据被输入到栅极的电位生成模拟电流的功能。电容器C11具有对保持在存储单元MC或存储单元MCR中的第一模拟电位或对应于第一模拟电位的电位加上第二模拟电位或对应于第二模拟电位的电位的功能。
具体而言，在图10所示的存储单元MC中，晶体管Tr12的栅极与布线WW连接，源极和漏极中的一个与布线WD连接，源极和漏极中的另一个与晶体管Tr11的栅极连接。另外，晶体管Tr11的源极和漏极中的一个与布线VR连接，源极和漏极中的另一个与布线BL连接。电容器C11的第一电极与布线RW连接，第二电极与晶体管Tr11的栅极连接。
另外，在图10所示的存储单元MCR中，晶体管Tr12的栅极与布线WW连接，源极和漏极中的一个与布线WDREF连接，源极和漏极中的另一个与晶体管Tr11的栅极连接。另外，晶体管Tr11的源极和漏极中的一个与布线VRREF连接，源极和漏极中的另一个与布线BLREF连接。电容器C11的第一电极与布线RW连接，第二电极与晶体管Tr11的栅极连接。
在存储单元MC中，将晶体管Tr11的栅极称为节点N。在存储单元MC中，第一模拟电位通过晶体管Tr12被输入到节点N，接着，在晶体管Tr12处于关闭状态时节点N处于浮动状态，节点N保持第一模拟电位或对应于第一模拟电位的电位。另外，在存储单元MC中，当节点N处于浮动状态时，被输入到电容器C11的第一电极的第二模拟电位被供应到节点N。通过上述工作，节点N的电位变为对第一模拟电位或对应于第一模拟电位的电位加上第二模拟电位或对应于第二模拟电位的电位的电位。
注意，电容器C11的第一电极的电位通过电容器C11供应到节点N，因此，实际上第一电极的电位的变化量不直接反映到节点N的电位的变化量。具体而言，通过根据电容器C11的电容值、晶体管Tr11的栅极电容的电容值及寄生电容的电容值确定为唯一值的耦合系数乘以第一电极的电位的变化量，可以准确地算出节点N的电位的变化量。以下，为了容易理解，对第一电极的电位的变化量大致反映到节点N的电位的变化量的情况进行说明。
晶体管Tr11的漏极电流取决于节点N的电位。因此，当晶体管Tr12处于关闭状态时节点N的电位被保持，此时晶体管Tr11的漏极电流的值也被保持。第一模拟电位及第二模拟电位反映到上述漏极电流。
在存储单元MCR中，将晶体管Tr11的栅极称为节点NREF。在存储单元MCR中，第一参考电位或对应于第一参考电位的电位通过晶体管Tr12被输入到节点NREF，接着，在晶体管Tr12处于关闭状态时节点NREF处于浮动状态，节点NREF保持第一参考电位或对应于第一参考电位的电位。另外，在存储单元MCR中，当节点NREF处于浮动状态时，被输入到电容器C11的第一电极的第二模拟电位被供应到节点NREF。通过上述工作，节点NREF的电位变为对第一参考电位或对应于第一参考电位的电位加上第二模拟电位或对应于第二模拟电位的电位的电位。
晶体管Tr11的漏极电流取决于节点NREF的电位。因此，当晶体管Tr12处于关闭状态时节点NREF的电位被保持，此时晶体管Tr11的漏极电流的值也被保持。第一参考电位及第二模拟电位反映到上述漏极电流。
将流过存储单元MC[p，q]的晶体管Tr11的漏极电流称为电流I[p，q]，将流过存储单元MC[p+1，q]的晶体管Tr11的漏极电流称为电流I[p+1，q]。此时，从布线BL[q]供应到存储单元MC[p，q]及存储单元MC[p+1，q]的电流之和为电流I[q]。另外，将流过存储单元MC[p，q+1]的晶体管Tr11的漏极电流称为电流I[p，q+1]，将流过存储单元MC[p+1，q+1]的晶体管Tr11的漏极电流称为电流I[p+1，q+1]。此时，从布线BL[q+1]供应到存储单元MC[p，q+1]及存储单元MC[p+1，q+1]的电流之和为电流I[q+1]。另外，将流过存储单元MCR[p]的晶体管Tr11的漏极电流称为电流IREF[p]，将流过存储单元MCR[p+1]的晶体管Tr11的漏极电流称为电流IREF[p+1]。此时，从布线BLREF供应到存储单元MCR[p]及存储单元MCR[p+1]的电流之和为电流IREF。
<电路530、电路540、电流源电路的结构实例>
接着，参照图11对电路530、电路540及电流源电路550(CREF)的具体结构实例进行说明。
图11示出对应于图10所示的存储单元MC及存储单元MCR的电路530、电路540、电流源电路550的结构的一个例子。具体而言，图11所示的电路530包括对应于第q列的存储单元MC的电路530[q]及对应于第q+1列的存储单元MC的电路530[q+1]。另外，图11所示的电路540包括对应于第q列的存储单元MC的电路540[q]及对应于第q+1列的存储单元MC的电路540[q+1]。
电路530[q]及电路540[q]与布线BL[q]连接。另外，电路530[q+1]及电路540[q+1]与布线BL[q+1]连接。
电流源电路550与布线BL[q]、布线BL[q+1]及布线BLREF连接。电流源电路550具有将电流IREF供应到布线BLREF的功能及将与电流IREF相同的电流或对应于电流IREF的电流供应到布线BL[q]及布线BL[q+1]的每一个的功能。
具体而言，电路530[q]及电路530[q+1]的每一个包括晶体管Tr24至Tr26及电容器C22。当设定偏移电流时，电路530[q]的晶体管Tr24在电流I[q]大于电流IREF的情况下生成相当于电流I[q]与电流IREF的差分的电流ICM[q]。另外，电路530[q+1]的晶体管Tr24在电流I[q+1]大于电流IREF的情况下生成相当于电流I[q+1]与电流IREF的差分的电流ICM[q+1]。电流ICM[q]及电流ICM[q+1]从电路530[q]及电路530[q+1]被供应到布线BL[q]及布线BL[q+1]。
在电路530[q]及电路530[q+1]中，晶体管Tr24的源极和漏极中的一个与对应的布线BL连接，源极和漏极中的另一个与被供应指定电位的布线连接。晶体管Tr25的源极和漏极中的一个与布线BL连接，源极和漏极中的另一个与晶体管Tr24的栅极连接。晶体管Tr26的源极和漏极中的一个与晶体管Tr24的栅极连接，源极和漏极中的另一个与被供应指定电位的布线连接。电容器C22的第一电极与晶体管Tr24的栅极连接，第二电极与被供应指定电位的布线连接。
晶体管Tr25的栅极与布线OSM连接，晶体管Tr26的栅极与布线ORM连接。
图11例示出晶体管Tr24为p沟道晶体管且晶体管Tr25及Tr26为n沟道晶体管的情况。
另外，电路540[q]及电路540[q+1]的每一个包括晶体管Tr21至Tr23及电容器C21。当设定偏移电流时，电路540[q]的晶体管Tr21在电流I[q]小于电流IREF的情况下生成相当于电流I[q]与电流IREF的差分的电流ICP[q]。另外，电路540[q+1]的晶体管Tr21在电流I[q+1]小于电流IREF的情况下生成相当于电流I[q+1]与电流IREF的差分的电流ICP[q+1]。电流ICP[q]及电流ICP[q+1]从布线BL[q]及布线BL[q+1]被灌入到电路540[q]及电路540[q+1]。
电流ICM[q]及电流ICP[q]相当于电流Ioffset[q]。另外，电流ICM[q+1]及电流ICP[q+1]相当于电流Ioffset[q+1]。
在电路540[q]及电路540[q+1]中，晶体管Tr21的源极和漏极中的一个与对应的布线BL连接，源极和漏极中的另一个与被供应指定电位的布线连接。晶体管Tr22的源极和漏极中的一个与布线BL连接，源极和漏极中的另一个与晶体管Tr21的栅极连接。晶体管Tr23的源极和漏极中的一个与晶体管Tr21的栅极连接，源极和漏极中的另一个与被供应指定电位的布线连接。电容器C21的第一电极与晶体管Tr21的栅极连接，第二电极与被供应指定电位的布线连接。
晶体管Tr22的栅极与布线OSP连接，晶体管Tr23的栅极与布线ORP连接。
图11例示出晶体管Tr21至Tr23为n沟道晶体管的情况。
电流源电路550包括对应于布线BL的晶体管Tr27及对应于布线BLREF的晶体管Tr28。具体而言，图11所示的电流源电路550例示出作为晶体管Tr27使用对应于布线BL[q]的晶体管Tr27[q]及对应于布线BL[q+1]的晶体管Tr27[q+1]的情况。
晶体管Tr27的栅极与晶体管Tr28的栅极连接。另外，晶体管Tr27的源极和漏极中的一个与对应的布线BL连接，源极和漏极中的另一个与被供应指定电位的布线连接。晶体管Tr28的源极和漏极中的一个与布线BLREF连接，源极和漏极中的另一个与被供应指定电位的布线连接。
晶体管Tr27及晶体管Tr28具有相同的极性。图11例示出晶体管Tr27及晶体管Tr28都是p沟道晶体管的情况。
晶体管Tr28的漏极电流相当于电流IREF。由于晶体管Tr27及晶体管Tr28起电流镜电路的作用，因此晶体管Tr27的漏极电流具有大致与晶体管Tr28的漏极电流相同的值或者对应于晶体管Tr28的漏极电流的值。
<半导体装置的工作实例>
接着，参照图10至图12对本发明的一个方式的半导体装置500的具体工作实例进行说明。
图12相当于图10所示的存储单元MC及存储单元MCR、图11所示的电路530、电路540及电流源电路550的工作时序图的例子。在图12中，在时刻T01至时刻T04，将第一模拟数据储存于存储单元MC及存储单元MCR。在时刻T05至时刻T10，设定电路530及电路540所流动的偏移电流Ioffset。在时刻T11至时刻T16，取得对应于第一模拟数据与第二模拟数据之积和值的数据。
对布线VR[q]及布线VR[q+1]供应低电平电位。另外，对与电路530连接的具有指定电位的所有的布线供应高电平电位VDD。另外，对与电路540连接的具有指定电位的所有的布线供应低电平电位VSS。另外，对与电流源电路550连接的具有指定电位的所有的布线供应高电平电位VDD。
晶体管Tr11、Tr21、Tr24、Tr27[q]、Tr27[q+1]及Tr28在饱和区域中工作。
首先，在时刻T01至时刻T02，对布线WW[p]供应高电平电位，对布线WW[p+1]供应低电平电位。通过上述工作，图10所示的存储单元MC[p，q]、存储单元MC[p，q+1]、存储单元MCR[p]中的晶体管Tr12成为导通状态。另外，存储单元MC[p+1，q]、存储单元MC[p+1，q+1]及存储单元MCR[p+1]中的晶体管Tr12维持关闭状态。
另外，在时刻T01至时刻T02，对图10所示的布线WD[q]及布线WD[q+1]供应从第一参考电位VPR减去第一模拟电位而得到的电位。具体而言，对布线WD[q]供应电位VPR-Vx[p，q]，对布线WD[q+1]供应电位VPR-Vx[p，q+1]。另外，对布线WDREF供应第一参考电位VPR，对布线RW[p]及布线RW[p+1]作为基准电位供应电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。
因此，电位VPR-Vx[p，q]通过晶体管Tr12被供应到图10所示的存储单元MC[p，q]的节点N[p，q]，电位VPR-Vx[p，q+1]通过晶体管Tr12被供应到存储单元MC[p，q+1]的节点N[p，q+1]，第一参考电位VPR通过晶体管Tr12被供应到存储单元MCR[p]的节点NREF[p]。
在时刻T02结束时，供应到图10所示的布线WW[p]的电位从高电平变为低电平，在存储单元MC[p，q]、存储单元MC[p，q+1]及存储单元MCR[p]中晶体管Tr12成为关闭状态。通过上述工作，节点N[p，q]保持电位VPR-Vx[p，q]，节点N[p，q+1]保持电位VPR-Vx[p，q+1]，节点NREF[p]保持第一参考电位VPR。
接着，在时刻T03至时刻T04，图10所示的布线WW[p]的电位维持低电平，对布线WW[p+1]供应高电平电位。通过上述工作，图10所示的存储单元MC[p+1，q]、存储单元MC[p+1，q+1]、存储单元MCR[p+1]中的晶体管Tr12成为导通状态。另外，存储单元MC[p，q]、存储单元MC[p，q+1]及存储单元MCR[p]中的晶体管Tr12维持关闭状态。
另外，在时刻T03至时刻T04，对图10所示的布线WD[q]及布线WD[q+1]供应从第一参考电位VPR减去第一模拟电位而得到的电位。具体而言，对布线WD[q]供应电位VPR-Vx[p+1，q]，对布线WD[q+1]供应电位VPR-Vx[p+1，q+1]。另外，对布线WDREF供应第一参考电位VPR，对布线RW[p]及布线RW[p+1]作为基准电位供应电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。
因此，电位VPR-Vx[p+1，q]通过晶体管Tr12被供应到图10所示的存储单元MC[p+1，q]的节点N[p+1，q]，电位VPR-Vx[p+1，q+1]通过晶体管Tr12被供应到存储单元MC[p+1，q+1]的节点N[p+1，q+1]，第一参考电位VPR通过晶体管Tr12被供应到存储单元MCR[p+1]的节点NREF[p+1]。
在时刻T04结束时，供应到图10所示的布线WW[p+1]的电位从高电平变为低电平，在存储单元MC[p+1，q]、存储单元MC[p+1，q+1]及存储单元MCR[p+1]中晶体管Tr12成为关闭状态。通过上述工作，节点N[p+1，q]保持电位VPR-Vx[p+1，q]，节点N[p+1，q+1]保持电位VPR-Vx[p+1，q+1]，节点NREF[p+1]保持第一参考电位VPR。
接着，在时刻T05至时刻T06，对图11所示的布线ORP及布线ORM供应高电平电位。在图11所示的电路530[q]及电路530[q+1]中，在布线ORM被供应高电平电位时，晶体管Tr26成为导通状态，晶体管Tr24的栅极被供应电位VDD而被复位。在图11所示的电路540[q]及电路540[q+1]中，在布线ORP被供应高电平电位时，晶体管Tr23成为导通状态，晶体管Tr21的栅极被供应电位VSS而被复位。
在时刻T06结束时，供应到图10所示的布线ORP及布线ORM的电位从高电平变为低电平，电路530[q]及电路530[q+1]的晶体管Tr26成为关闭状态，电路540[q]及电路540[q+1]的晶体管Tr23成为关闭状态。通过上述工作，电路530[q]及电路530[q+1]的晶体管Tr24的栅极保持电位VDD，电路540[q]及电路540[q+1]的晶体管Tr21的栅极保持电位VSS。
接着，在时刻T07至时刻T08，对图11所示的布线OSP供应高电平电位。另外，对图10所示的布线RW[p]及布线RW[p+1]作为基准电位供应电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。当对布线OSP供应高电平电位时，电路540[q]及电路540[q+1]的晶体管Tr22成为导通状态。
在流过布线BL[q]的电流I[q]小于流过布线BLREF的电流IREF，即，电流ΔI[q]为正值的情况下，这意味着图10所示的存储单元MC[p，q]的晶体管Tr11能够灌入的电流及存储单元MC[p+1，q]的晶体管Tr11能够灌入的电流之和小于晶体管Tr27[q]的漏极电流。因此，在电流ΔI[q]为正值的情况下，在电路540[q]的晶体管Tr22成为导通状态时，晶体管Tr27[q]的漏极电流的一部分流入晶体管Tr21的栅极，使晶体管Tr21的栅极电位开始上升。当晶体管Tr21的漏极电流上升至大致等于电流ΔI[q]的值时，晶体管Tr21的栅极电位收敛到指定值。此时的晶体管Tr21的栅极电位相当于晶体管Tr21的漏极电流为电流ΔI[q](即电流Ioffset[q](＝ICP[q]))时的电位。换言之，电路540[q]的晶体管Tr21被设为能够流动电流ICP[q]的电流源的状态。
同样地，在流过布线BL[q+1]的电流I[q+1]小于流过布线BLREF的电流IREF，即，电流ΔI[q+1]为正值的情况下，在电路540[q+1]的晶体管Tr22成为导通状态时，晶体管Tr27[q+1]的漏极电流的一部分流入晶体管Tr21的栅极，使晶体管Tr21的栅极电位开始上升。当晶体管Tr21的漏极电流上升至大致等于电流ΔI[q+1]的值时，晶体管Tr21的栅极电位收敛到指定值。此时的晶体管Tr21的栅极电位相当于晶体管Tr21的漏极电流为电流ΔI[q+1](即电流Ioffset[q+1](＝ICP[q+1]))时的电位。换言之，电路540[q+1]的晶体管Tr21被设为能够流动电流ICP[q+1]的电流源的状态。
在时刻T08结束时，供应到图11所示的布线OSP的电位从高电平变为低电平，电路540[q]及电路540[q+1]的晶体管Tr22成为关闭状态。通过上述工作，保持晶体管Tr21的栅极电位。因此，电路540[q]维持被设为能够流动电流ICP[q]的电流源的状态，电路540[q+1]维持被设为能够流动电流ICP[q+1]的电流源的状态。
接着，在时刻T09至时刻T10，对图11所示的布线OSM供应高电平电位。另外，对图10所示的布线RW[p]及布线RW[p+1]作为基准电位供应电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。当对布线OSM供应高电平电位时，电路530[q]及电路530[q+1]的晶体管Tr25成为导通状态。
在流过布线BL[q]的电流I[q]大于流过布线BLREF的电流IREF，即，电流ΔI[q]为负值的情况下，这意味着图10所示的存储单元MC[p，q]的晶体管Tr11能够灌入的电流及存储单元MC[p+1，q]的晶体管Tr11能够灌入的电流之和大于晶体管Tr27[q]的漏极电流。因此，在电流ΔI[q]为负值的情况下，在电路530[q]的晶体管Tr25成为导通状态时，电流从晶体管Tr24的栅极流出到布线BL[q]，使晶体管Tr24的栅极电位开始下降。当晶体管Tr24的漏极电流下降至大致等于电流ΔI[q]的值时，晶体管Tr24的栅极电位收敛到指定值。此时的晶体管Tr24的栅极电位相当于晶体管Tr24的漏极电流为电流ΔI[q](即电流Ioffset[q](＝ICM[q]))时的电位。换言之，电路530[q]的晶体管Tr24被设为能够流动电流ICM[q]的电流源的状态。
同样地，在流过布线BL[q+1]的电流I[q+1]大于流过布线BLREF的电流IREF，即，电流ΔI[q+1]为负值的情况下，在电路530[q+1]的晶体管Tr25成为导通状态时，电流从晶体管Tr24的栅极流出到布线BL[q+1]，使晶体管Tr24的栅极电位开始下降。当晶体管Tr24的漏极电流下降至大致等于电流ΔI[q+1]的绝对值的值时，晶体管Tr24的栅极电位收敛到指定值。此时的晶体管Tr24的栅极电位相当于晶体管Tr24的漏极电流值与电流ΔI[q+1](即电流Ioffset[q+1](＝ICM[q+1]))的绝对值相同时的电位。换言之，电路530[q+1]的晶体管Tr24被设为能够流动电流ICM[q+1]的电流源的状态。
在时刻T10结束时，供应到图11所示的布线OSM的电位从高电平变为低电平，电路530[q]及电路530[q+1]的晶体管Tr25成为关闭状态。通过上述工作，保持晶体管Tr24的栅极电位。因此，电路530[q]维持被设为能够流动电流ICM[q]的电流源的状态，电路530[q+1]维持被设为能够流动电流ICM[q+1]的电流源的状态。
在电路540[q]及电路540[q+1]中，晶体管Tr21具有灌入电流的功能。因此，在时刻T07至时刻T08，在流过布线BL[q]的电流I[q]大于流过布线BLREF的电流IREF，即电流ΔI[q]为负值的情况下，或者，在流过布线BL[q+1]的电流I[q+1]大于流过布线BLREF的电流IREF，即电流ΔI[q+1]为负值的情况下，可能不容易从电路540[q]或电路540[q+1]对布线BL[q]或布线BL[q+1]充分地供应电流。在此情况下，由于调整流过布线BL[q]或布线BL[q+1]的电流与流过布线BLREF的电流的平衡，因此存储单元MC的晶体管Tr11、电路540[q]或电路540[q+1]的晶体管Tr21及晶体管Tr27[q]或Tr27[q+1]则有可能不容易在饱和区域中工作。
为了在时刻T07至时刻T08在电流ΔI[q]为负值的情况下也确保晶体管Tr11、Tr21、Tr27[q]或Tr27[q+1]在饱和区域中工作，也可以在时刻T05至时刻T06中将晶体管Tr24的栅极电位设定为能够获得指定的漏极电流的电平，而不将晶体管Tr24的栅极复位到电位VDD。通过采用上述结构，除了晶体管Tr27[q]或Tr27[q+1]的漏极电流以外，还可以从晶体管Tr24供应电流，因此，可以由晶体管Tr21在一定程度上灌入相当于晶体管Tr11不能灌入的部分的电流，因此可以确保晶体管Tr11、Tr21、Tr27[q]或Tr27[q+1]在饱和区域工作。
在时刻T09至时刻T10，在流过布线BL[q]的电流I[q]小于流过布线BLREF的电流IREF，即电流ΔI[q]为正值的情况下，由于在时刻T07至时刻T08，电路540[q]已被设为能够流动电流ICP[q]的电流源，因此电路530[q]的晶体管Tr24的栅极电位大致保持电位VDD。同样地，在流过布线BL[q+1]的电流I[q+1]小于流过布线BLREF的电流IREF，即电流ΔI[q+1]为正值的情况下，由于在时刻T07至时刻T08，电路540[q+1]已被设为能够流动电流ICP[q+1]的电流源，因此电路530[q+1]的晶体管Tr24的栅极电位大致保持电位VDD。
接着，在时刻T11至时刻T12，对图10所示的布线RW[p]供应第二模拟电位Vw[p]。另外，继续对布线RW[p+1]作为基准电位供应电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。具体而言，布线RW[p]的电位为对作为基准电位的电位VSS与电位VDD之间的电位(例如，电位(VDD+VSS)/2)加上电位差Vw[p]的电位，但是，下面，为了容易理解，假设布线RW[p]的电位为第二模拟电位Vw[p]。
当布线RW[p]成为第二模拟电位Vw[p]时，假设电容器C11的第一电极的电位的变化量大致反映到节点N的电位的变化量，图10所示的存储单元MC[p，q]的节点N[p，q]的电位变为VPR-Vx[p，q]+Vw[p]，存储单元MC[p，q+1]的节点N[p，q+1]的电位变为VPR-Vx[p，q+1]+Vw[p]。根据上述算式6可知对应于存储单元MC[p，q]的第一模拟数据及第二模拟数据之积和值反映到从电流ΔI[q]减去电流Ioffset[q]的电流，即从布线BL[q]流出的电流Iout[q]。另外，可知对应于存储单元MC[p，q+1]的第一模拟数据及第二模拟数据之积和值反映到从电流ΔI[q+1]减去电流Ioffset[q+1]的电流，即从布线BL[q+1]流出的电流Iout[q+1]。
在时刻T12结束时，再次对布线RW[p]供应作为基准电位的电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。
接着，在时刻T13至时刻T14，对图10所示的布线RW[p+1]供应第二模拟电位Vw[p+1]。另外，继续对布线RW[p]作为基准电位供应电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。具体而言，布线RW[p+1]的电位为对作为基准电位的电位VSS与电位VDD之间的电位(例如，电位(VDD+VSS)/2)加上电位差Vw[p+1]的电位，但是，下面，为了容易理解，假设布线RW[p+1]的电位为第二模拟电位Vw[p+1]。
当布线RW[p+1]成为第二模拟电位Vw[p+1]时，假设电容器C11的第一电极的电位的变化量大致反映到节点N的电位的变化量，图10所示的存储单元MC[p+1，q]的节点N[p+1，q]的电位变为VPR-Vx[p+1，q]+Vw[p+1]，存储单元MC[p+1，q+1]的节点N[p+1，q+1]的电位变为VPR-Vx[p+1，q+1]+Vw[p+1]。根据上述算式6可知对应于存储单元MC[p+1，q]的第一模拟数据及第二模拟数据之积和值反映到从电流ΔI[q]减去电流Ioffset[q]的电流，即电流Iout[q]。另外，可知对应于存储单元MC[p+1，q+1]的第一模拟数据及第二模拟数据之积和值反映到从电流ΔI[q+1]减去电流Ioffset[q+1]的电流，即电流Iout[q+1]。
在时刻T14结束时，再次对布线RW[p+1]供应作为基准电位的电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。
接着，在时刻T15至时刻T16，对图10所示的布线RW[p]供应第二模拟电位Vw[p]，对布线RW[p+1]供应第二模拟电位Vw[p+1]。具体而言，布线RW[p]的电位为对作为基准电位的电位VSS与电位VDD之间的电位，(例如，电位(VDD+VSS)/2)加上电位差Vw[p]的电位，布线RW[p+1]的电位为对作为基准电位的电位VSS与电位VDD之间的电位(例如，电位(VDD+VSS)/2)加上电位差Vw[p+1]的电位，但是，下面，为了容易理解，假设布线RW[p]的电位为第二模拟电位Vw[p]，布线RW[p+1]的电位为第二模拟电位Vw[p+1]。
当布线RW[p]成为第二模拟电位Vw[p]时，假设电容器C11的第一电极的电位的变化量大致反映到节点N的电位的变化量，图10所示的存储单元MC[p，q]的节点N[p，q]的电位变为VPR-Vx[p，q]+Vw[p]，存储单元MC[p，q+1]的节点N[p，q+1]的电位变为VPR-Vx[p，q+1]+Vw[p]。当布线RW[p+1]成为第二模拟电位Vw[p+1]时，假设电容器C11的第一电极的电位的变化量大致反映到节点N的电位的变化量，图10所示的存储单元MC[p+1，q]的节点N[p+1，q]的电位变为VPR-Vx[p+1，q]+Vw[p+1]，存储单元MC[p+1，q+1]的节点N[p+1，q+1]的电位变为VPR-Vx[p+1，q+1]+Vw[p+1]。
根据上述算式6可知对应于存储单元MC[p，q]及存储单元MC[p+1，q]的第一模拟数据及第二模拟数据之积和值反映到从电流ΔI[q]减去电流Ioffset[q]的电流，即电流Iout[q]。另外，可知对应于存储单元MC[p，q+1]及存储单元MC[p+1，q+1]的第一模拟数据及第二模拟数据之积和值反映到从电流ΔI[q+1]减去电流Ioffset[q+1]的电流，即电流Iout[q+1]。
在时刻T16结束时，再次对布线RW[p]及布线RW[p+1]供应作为基准电位的电位VSS与电位VDD之间的电位，例如电位(VDD+VSS)/2。
通过上述结构，可以以较小的电路规模执行积和运算。另外，通过上述结构，可以高速执行积和运算。另外，通过上述结构，可以以低功耗执行积和运算。
注意，作为晶体管Tr12、Tr22、Tr23、Tr25或Tr26优选使用关态电流极低的晶体管。通过作为晶体管Tr12使用关态电流极低的晶体管，可以长时间保持节点N的电位。另外，通过作为晶体管Tr22及Tr23使用关态电流极低的晶体管，可以长时间保持晶体管Tr21的栅极电位。另外，通过作为晶体管Tr25及Tr26使用关态电流极低的晶体管，可以长时间保持晶体管Tr24的栅极电位。
作为关态电流极低的晶体管使用OS晶体管即可。在源极-漏极间电压为10V，室温(25℃左右)的状态下，以沟道宽度标准化的OS晶体管的关态电流可以为10×10-21A/μm(10zA/μm)以下。
通过使用上述半导体装置，可以进行神经网络NN中的积和运算。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式4)
在本实施方式中，说明可以在上述实施方式中使用的OS晶体管的结构实例。
<晶体管的结构实例>
图13A是示出晶体管的结构实例的俯视图。图13B是图13A的X1-X2线之间的截面图，图13C是图13A的Y1-Y2线之间的截面图。在此，有时将X1-X2线的方向称为沟道长度方向，将Y1-Y2线的方向称为沟道宽度方向。图13B是示出晶体管的沟道长度方向上的截面结构的图，图13C是示出晶体管的沟道宽度方向上的截面结构的图。为了明确地示出装置结构，在图13A中省略部分构成要素。
根据本发明的一个方式的半导体装置包括绝缘层812至820、金属氧化物膜821至824、导电层850至853。晶体管801形成在绝缘表面。图13示出晶体管801形成在绝缘层811上的情况。晶体管801被绝缘层818及绝缘层819覆盖。
构成晶体管801的绝缘层、金属氧化物膜、导电层等可以为单层或多个膜的叠层。在制造这些层时，可以使用溅射法、分子束外延法(MBE法)、脉冲激光烧蚀法(PLA法)、CVD法、原子层沉积法(ALD法)等各种成膜方法。CVD法包括等离子体CVD法、热CVD法、有机金属CVD法等。
导电层850包括被用作晶体管801的栅电极的区域。导电层850也可以使用由彼此不同的材料而成的导电层850a及导电层850b的叠层构成。导电层851、导电层852包括被用作源电极或漏电极的区域。导电层853包括被用作背栅电极的区域。导电层853也可以使用由彼此不同的材料而成的导电层853a及导电层853b的叠层构成。绝缘层817包括被用作栅电极(前栅电极)一侧的栅极绝缘层的区域，使用绝缘层814至绝缘层816的叠层构成的绝缘层包括被用作背栅电极一侧的栅极绝缘层的区域。绝缘层818被用作层间绝缘层。绝缘层819被用作阻挡层。
将金属氧化物膜821至824统称为氧化物层830。如图13B和图13C所示，氧化物层830包括依次层叠有金属氧化物膜821、金属氧化物膜822及金属氧化物膜824的区域。此外，一对金属氧化物膜823分别位于导电层851、导电层852上。在晶体管801处于开启状态时，氧化物层830的沟道形成区域主要形成在金属氧化物膜822中。
金属氧化物膜824覆盖金属氧化物膜821至823、导电层851、导电层852。绝缘层817位于金属氧化物膜823与导电层850之间。导电层851、导电层852都包括隔着金属氧化物膜823、金属氧化物膜824、绝缘层817与导电层850重叠的区域。
导电层851及导电层852通过利用用来形成金属氧化物膜821及金属氧化物膜822的硬掩模而形成。由此，导电层851及导电层852不包括与金属氧化物膜821及金属氧化物膜822的侧面接触的区域。例如，通过下述步骤可以形成金属氧化物膜821、822及导电层851、导电层852：首先，在层叠的两层金属氧化物膜上形成导电膜；将该导电膜加工为所希望的形状(进行蚀刻)，来形成硬掩模；使用硬掩模对两层金属氧化物膜的形状进行加工，来形成金属氧化物膜821和金属氧化物膜822的叠层；接着，将硬掩模加工为所希望的形状，来形成导电层851及导电层852。
作为用于绝缘层811至818的绝缘材料，有如下材料：氮化铝、氧化铝、氮氧化铝、氧氮化铝、氧化镁、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧氮化硅、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕、氧化铪、氧化钽、硅酸铝等。绝缘层811至818由包括这些绝缘材料的单层或叠层构成。构成绝缘层811至818的层可以包含多种绝缘材料。
在本说明书等中，氧氮化物是指氧含量大于氮含量的化合物，氮氧化物是指氮含量大于氧含量的化合物。
为了抑制氧化物层830中的氧缺陷增加，绝缘层816至绝缘层818优选为包含氧的绝缘层。绝缘层816至绝缘层818优选使用通过加热可释放氧的绝缘膜(以下也称为“包含过剩氧的绝缘膜”)形成。通过从包含过剩氧的绝缘膜向氧化物层830供应氧，可以填补氧化物层830中的氧缺陷。其结果是，可以提高晶体管801的可靠性及电特性。
包含过剩氧的绝缘层为在利用热脱附谱分析法(TDS：Thermal DesorptionSpectroscopy)时膜表面温度为100℃以上且700℃以下或100℃以上且500℃以下的范围内的氧分子的释放量为1.0×1018分子/cm3以上的膜。氧分子的释放量优选为3.0×1020分子/cm3以上。
包含过剩氧的绝缘膜可以通过进行对绝缘膜添加氧的处理来形成。作为氧的添加处理，可以使用氧气氛下的加热处理、离子注入法、离子掺杂法、等离子体浸没离子注入法或等离子体处理等。作为用来添加氧的气体，可以使用16O2或18O2等氧气体、一氧化二氮气体或臭氧气体等。
为了防止氧化物层830中的氢浓度增加，优选降低绝缘层812至819中的氢浓度。尤其是，优选降低绝缘层813至818中的氢浓度。具体而言，其氢浓度为2×1020atoms/cm3以下，优选为5×1019atoms/cm3以下，更优选为1×1019atoms/cm3以下，进一步优选为5×1018atoms/cm3以下。
上述氢浓度是通过二次离子质谱分析法(SIMS：Secondary Ion MassSpectrometry)而测量的。
在晶体管801中，氧化物层830优选被对氧和氢具有阻挡性的绝缘层(以下也称为阻挡层)包围。通过采用该结构，可以抑制氧从氧化物层830释放出并可以抑制氢侵入到氧化物层830。其结果是，可以提高晶体管801的可靠性及电特性。
例如，绝缘层819被用作阻挡层，绝缘层811、812、814中的至少一个被用作阻挡层。阻挡层可以使用氧化铝、氧氮化铝、氧化镓、氧氮化镓、氧化钇、氧氮化钇、氧化铪、氧氮化铪、氮化硅等的材料形成。
在此示出绝缘层811至819的结构实例。在该实例中，绝缘层811、812、815、819都被用作阻挡层。绝缘层816至818是包含过剩氧的氧化物层。绝缘层811是氮化硅层，绝缘层812是氧化铝层，绝缘层813是氧氮化硅层。被用作背栅电极一侧的栅极绝缘层的绝缘层814至816是氧化硅、氧化铝和氧化硅的叠层。被用作前栅电极一侧的栅极绝缘层的绝缘层817是氧氮化硅层。被用作层间绝缘层的绝缘层818是氧化硅层。绝缘层819是氧化铝层。
作为用于导电层850至853的导电材料，有钼、钛、钽、钨、铝、铜、铬、钕、钪等金属或以上述金属为成分的金属氮化物(氮化钽、氮化钛、氮化钼、氮化钨)等。可以使用铟锡氧化物、包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钨的铟锌氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、铟锌氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物等导电材料。
在此示出导电层850至853的结构实例。导电层850是氮化钽或钨的单层。或者，导电层850是氮化钽、钽及氮化钽的叠层。导电层851是氮化钽的单层或者氮化钽和钨的叠层。导电层852的结构与导电层851相同。导电层853是氮化钽的单层或氮化钽与钨的叠层。
为了降低晶体管801的关态电流，金属氧化物膜822例如优选具有大能隙。金属氧化物膜822的能隙为2.5eV以上且4.2eV以下，优选为2.8eV以上且3.8eV以下，更优选为3eV以上且3.5eV以下。
氧化物层830优选具有结晶性。优选的是，至少金属氧化物膜822具有结晶性。通过具有上述结构，可以实现可靠性及电特性优异的晶体管801。
可以用于金属氧化物膜822的氧化物例如是In-Ga氧化物、In-Zn氧化物、In-M-Zn氧化物(M为Al、Ga、Y或Sn)。金属氧化物膜822不局限于包含铟的氧化物层。金属氧化物膜822例如可以使用Zn-Sn氧化物、Ga-Sn氧化物、Zn-Mg氧化物等形成。金属氧化物膜821、823、824也可以使用与金属氧化物膜822同样的氧化物形成。尤其是，金属氧化物膜821、823、824分别可以使用Ga氧化物形成。
当在金属氧化物膜822与金属氧化物膜821的界面形成有界面态时，由于沟道形成区域也形成在界面附近的区域中，因此晶体管801的阈值电压发生变动。因此，金属氧化物膜821优选包含构成金属氧化物膜822的金属元素中的至少一个作为其构成要素。由此，在金属氧化物膜822与金属氧化物膜821的界面就不容易形成界面态，而可以降低晶体管801的阈值电压等电特性的偏差。
金属氧化物膜824优选包含构成金属氧化物膜822的金属元素中的至少一个作为其构成要素。由此，在金属氧化物膜822与金属氧化物膜824的界面不容易发生界面散射，且不容易阻碍载流子的迁移，因此可以提高晶体管801的场效应迁移率。
优选的是，在金属氧化物膜821至824中，金属氧化物膜822具有最高的载流子迁移率。由此，可以在远离绝缘层816、817的金属氧化物膜822中形成沟道。
例如，In-M-Zn氧化物等包含In的金属氧化物可以通过提高In的含量来提高载流子迁移率。铟含量多的氧化物的迁移率比铟含量少的氧化物高。因此，通过将铟含量多的氧化物用于金属氧化物膜，可以提高载流子迁移率。
因此，例如，使用In-Ga-Zn氧化物形成金属氧化物膜822，并且使用Ga氧化物形成金属氧化物膜821、823。例如，当使用In-M-Zn氧化物形成金属氧化物膜821至823时，使金属氧化物膜822的In含量高于金属氧化物膜821、823的In含量。当利用溅射法形成In-M-Zn氧化物时，通过改变靶材中的金属元素的原子数比，可以改变In含量。
例如，用来形成金属氧化物膜822的靶材的金属元素的原子数比优选为In:M:Zn＝1:1:1、3:1:2或4:2:4.1。例如，用来形成金属氧化物膜821、823的靶材的金属元素的原子数比优选为In:M:Zn＝1:3:2或1:3:4。使用In:M:Zn＝4:2:4.1的靶材形成的In-M-Zn氧化物的原子数比大致为In:M:Zn＝4:2:3。
为了对晶体管801赋予稳定的电特性，优选降低氧化物层830中的杂质浓度。在金属氧化物中，氢、氮、碳、硅以及除了主要成分以外的金属元素都是杂质。例如，氢和氮引起施主能级的形成，导致载流子密度增高。此外，硅和碳引起金属氧化物中的杂质能级的形成。该杂质能级成为陷阱，有时使晶体管的电特性劣化。
例如，氧化物层830具有硅浓度为2×1018atoms/cm3以下，优选为2×1017atoms/cm3以下的区域。氧化物层830中的碳浓度也是同样的。
氧化物层830具有碱金属浓度为1×1018atoms/cm3以下，优选为2×1016atoms/cm3以下的区域。氧化物层830的碱土金属浓度也是同样的。
氧化物层830具有氢浓度低于1×1020atoms/cm3，优选低于1×1019atoms/cm3，更优选低于5×1018atoms/cm3，进一步优选低于1×1018atoms/cm3的区域。
上述氧化物层830中的杂质浓度是通过SIMS而测量的。
在金属氧化物膜822具有氧缺陷的情况下，有时因为氢进入该氧缺陷部而形成施主能级。其结果是，成为晶体管801的通态电流降低的要因。注意，氧缺陷部在氧进入时比氢进入时更加稳定。因此，通过降低金属氧化物膜822中的氧缺陷，有时能够提高晶体管801的通态电流。由此，通过减少金属氧化物膜822中的氢来防止氢进入氧缺陷部的方法对通态电流特性是有效的。
包含在金属氧化物中的氢与键合于金属原子的氧起反应生成水，因此有时形成氧缺陷。当氢进入该氧缺陷时，有时产生作为载流子的电子。另外，有时氢的一部分与键合于金属原子的氧键合，而产生作为载流子的电子。由于沟道形成区域设置在金属氧化物膜822中，所以当金属氧化物膜822包含氢时，晶体管801容易具有常开启特性。由此，优选尽可能减少金属氧化物膜822中的氢。
金属氧化物膜822也可以在与导电层851或导电层852接触的区域包括n型化的区域822n。区域822n通过金属氧化物膜822中的氧被导电层851或导电层852抽出的现象或者导电层851或导电层852中的导电材料与金属氧化物膜822中的元素键合的现象等形成。通过形成区域822n，可以降低导电层851或导电层852与金属氧化物膜822的接触电阻。
图13示出氧化物层830为四层结构的例子，但是不局限于此。例如，氧化物层830也可以为没有金属氧化物膜821或金属氧化物膜823的三层结构。或者，可以在氧化物层830的任意的层之间、氧化物层830之上和氧化物层830之下中的任两个以上的位置设置一层或多层与金属氧化物膜821至824同样的金属氧化物膜。
参照图14对金属氧化物膜821、822、824的叠层效果进行说明。图14是晶体管801的沟道形成区域的能带结构的示意图。
在图14中，Ec816e、Ec821e、Ec822e、Ec824e、Ec817e分别表示绝缘层816、金属氧化物膜821、金属氧化物膜822、金属氧化物膜824、绝缘层817的导带底的能量。
这里，真空能级与导带底的能量之间的能量差(也称为“电子亲和力”)是真空能级与价带顶之间的能量差(也称为电离电位)减去能隙而得到的值。另外，能隙可以利用光谱椭偏仪(HORIBA JOBIN YVON公司制造的UT-300)来测量。此外，真空能级与价带顶之间的能量差可以利用紫外线光电子能谱(UPS：Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置(PHI公司制造的VersaProbe)来测量。
因为绝缘层816、817是绝缘体，所以Ec816e及Ec817e比Ec821e、Ec822e及Ec824e更靠近于真空能级(其电子亲和势小)。
金属氧化物膜822的电子亲和势比金属氧化物膜821、824大。例如，金属氧化物膜822与金属氧化物膜821的电子亲和势之差以及金属氧化物膜822与金属氧化物膜824的电子亲和势之差都为0.07eV以上且1.3eV以下。该电子亲和势之差优选为0.1eV以上且0.7eV以下，更优选为0.15eV以上且0.4eV以下。电子亲和势是真空能级与导带底之间的能量差。
当对晶体管801的栅电极(导电层850)施加电压时，沟道主要形成在金属氧化物膜821、金属氧化物膜822和金属氧化物膜824中的电子亲和势较大的金属氧化物膜822中。
铟镓氧化物具有小电子亲和势和高氧阻挡性。因此，金属氧化物膜824优选包含铟镓氧化物。镓原子的比率[Ga/(In+Ga)]例如为70％以上，优选为80％以上，更优选为90％以上。
有时在金属氧化物膜821与金属氧化物膜822之间存在金属氧化物膜821和金属氧化物膜822的混合区域。另外，有时在金属氧化物膜824与金属氧化物膜822之间存在金属氧化物膜824和金属氧化物膜822的混合区域。混合区域的界面态密度较低，因此层叠有金属氧化物膜821、822、824的区域的能带结构中，各界面附近的能量连续地变化(也称为连续接合)。
在具有上述能带结构的氧化物层830中，电子主要在金属氧化物膜822中迁移。因此，即使在金属氧化物膜821与绝缘层816的界面或者金属氧化物膜824与绝缘层817的界面存在界面态，这些界面态也不容易阻碍氧化物层830中的电子迁移，因此可以增加晶体管801的通态电流。
此外，如图14所示，虽然在金属氧化物膜821与绝缘层816的界面附近以及金属氧化物膜824与绝缘层817的界面附近有可能形成起因于杂质或缺陷的陷阱能级Et826e、Et827e，但是由于金属氧化物膜821、824的存在，可以使金属氧化物膜822远离陷阱能级Et826e、Et827e。
在此，当Ec821e与Ec822e的能量差小时，有时金属氧化物膜822的电子越过该能量差达到陷阱能级Et826e。在电子被陷阱能级Et826e俘获时，在绝缘膜的界面产生固定负电荷，这导致晶体管的阈值电压漂移到正方向。在Ec822e与Ec824e的能量差小时也是同样的。
为了减小晶体管801的阈值电压的变动而提高晶体管801的电特性，Ec821e与Ec822e的能量差以及Ec824e与Ec822e的能量差优选为0.1eV以上，更优选为0.15eV以上。
注意，晶体管801也可以具有不包括背栅电极的结构。
<叠层结构的例子>
接着，对由OS晶体管以及其他的晶体管的叠层构成的半导体装置的结构进行说明。
图15示出半导体装置860的叠层结构的例子，其中层叠有为Si晶体管的晶体管Tr100与为OS晶体管的Tr200以及电容器C100。
半导体装置860由CMOS层871、布线层W1至W5、晶体管层872、布线层W6、W7的叠层构成。
CMOS层871中设置有晶体管Tr100。晶体管Tr100的沟道形成区域设置在单晶硅片870中。晶体管Tr100的栅电极873通过布线层W1至W5与电容器C100的一个电极875连接。
晶体管层872中设置有晶体管Tr200。在图15中，晶体管Tr200与晶体管801(图13)具有同样的结构。相当于晶体管Tr200的源极和漏极中的一个的电极874与电容器C100的一个电极875连接。图15示出晶体管Tr200在布线层W5中具有背栅电极的情况。另外，布线层W6中设置有电容器C100。
如上所述，通过层叠OS晶体管与其他的元件，可以缩小电路的面积。
上述结构可以应用于在实施方式2中说明的半导体装置500等。例如，作为图10中的晶体管Tr11、晶体管Tr12及电容器C11，可以分别使用晶体管Tr100、晶体管Tr200及电容器C100。此外，作为图11中的晶体管Tr21或Tr24、晶体管Tr22、Tr23、Tr25或Tr26以及电容器C21或C22可以分别使用晶体管Tr100、晶体管Tr200及电容器C100。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式5)
在本实施方式中，对可用于在上述实施方式中说明的OS晶体管的金属氧化物进行说明。下面尤其对金属氧化物与CAC(Cloud-Aligned Composite)进行详细说明。
CAC-OS或CAC-metal oxide在材料的一部分中具有导电性的功能，在材料的另一部分中具有绝缘性的功能，作为材料的整体具有半导体的功能。此外，在将CAC-OS或CAC-metal oxide用于晶体管的沟道形成区域的情况下，导电性的功能是使被用作载流子的电子(或空穴)流过的功能，绝缘性的功能是不使被用作载流子的电子流过的功能。通过导电性的功能和绝缘性的功能的互补作用，可以使CAC-OS或CAC-metal oxide具有开关功能(控制开启/关闭的功能)。通过在CAC-OS或CAC-metal oxide中使各功能分离，可以最大限度地提高各功能。
此外，CAC-OS或CAC-metal oxide包括导电性区域及绝缘性区域。导电性区域具有上述导电性的功能，绝缘性区域具有上述绝缘性的功能。此外，在材料中，导电性区域和绝缘性区域有时以纳米粒子级分离。另外，导电性区域和绝缘性区域有时在材料中不均匀地分布。此外，有时观察到其边缘模糊而以云状连接的导电性区域。
此外，在CAC-OS或CAC-metal oxide中，导电性区域和绝缘性区域有时以0.5nm以上且10nm以下，优选为0.5nm以上且3nm以下的尺寸分散在材料中。
此外，CAC-OS或CAC-metal oxide由具有不同带隙的成分构成。例如，CAC-OS或CAC-metal oxide由具有起因于绝缘性区域的宽隙的成分及具有起因于导电性区域的窄隙的成分构成。在该结构中，当使载流子流过时，载流子主要在具有窄隙的成分中流过。此外，具有窄隙的成分通过与具有宽隙的成分的互补作用，与具有窄隙的成分联动而使载流子流过具有宽隙的成分。因此，在将上述CAC-OS或CAC-metal oxide用于晶体管的沟道形成区域时，在晶体管的开启状态中可以得到高电流驱动力，即大通态电流及高场效应迁移率。
就是说，也可以将CAC-OS或CAC-metal oxide称为基质复合材料(matrixcomposite)或金属基质复合材料(metal matrix composite)。
CAC-OS例如是指包含在氧化物半导体中的元素不均匀地分布的构成，其中包含不均匀地分布的元素的材料的尺寸为0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且2nm以下或近似的尺寸。注意，在下面也将在金属氧化物中一个或多个金属元素不均匀地分布且包含该金属元素的区域以0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且2nm以下或近似的尺寸混合的状态称为马赛克(mosaic)状或补丁(patch)状。
金属氧化物优选至少包含铟。尤其优选包含铟及锌。除此之外，也可以还包含铝、镓、钇、铜、钒、铍、硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种。
例如，In-Ga-Zn氧化物中的CAC-OS(在CAC-OS中，尤其可以将In-Ga-Zn氧化物称为CAC-IGZO)是指材料分成铟氧化物(以下，称为InOX1(X1为大于0的实数))或铟锌氧化物(以下，称为InX2ZnY2OZ2(X2、Y2及Z2为大于0的实数))以及镓氧化物(以下，称为GaOX3(X3为大于0的实数))或镓锌氧化物(以下，称为GaX4ZnY4OZ4(X4、Y4及Z4为大于0的实数))等而成为马赛克状，且马赛克状的InOX1或InX2ZnY2OZ2均匀地分布在膜中的构成(以下，也称为云状)。
换言之，CAC-OS是具有以GaOX3为主要成分的区域和以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域混在一起的构成的复合金属氧化物。在本说明书中，例如，当第一区域的In与元素M的原子个数比大于第二区域的In与元素M的原子个数比时，第一区域的In浓度高于第二区域。
注意，IGZO是通称，有时是指包含In、Ga、Zn及O的化合物。作为典型例子，可以举出以InGaO3(ZnO)m1(m1为自然数)或In(1+x0)Ga(1-x0)O3(ZnO)m0(-1≤x0≤1，m0为任意数)表示的结晶性化合物。
上述结晶性化合物具有单晶结构、多晶结构或CAAC(c-axis-aligned crystal：c轴取向结晶)结构。CAAC结构是多个IGZO的纳米晶具有c轴取向性且在a-b面上以不取向的方式连接的结晶结构。
另一方面，CAC-OS与金属氧化物的材料构成有关。CAC-OS是指在包含In、Ga、Zn及O的材料构成中部分地观察到以Ga为主要成分的纳米粒子的区域和部分地观察到以In为主要成分的纳米粒子的区域以马赛克状无规律地分散的构成。因此，在CAC-OS中，结晶结构是次要因素。
CAC-OS不包含组成不同的两种以上的膜的叠层结构。例如，不包含由以In为主要成分的膜与以Ga为主要成分的膜的两层构成的结构。
注意，有时观察不到以GaOX3为主要成分的区域与以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域之间的明确的边界。
在CAC-OS中包含选自铝、钇、铜、钒、铍、硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种以代替镓的情况下，CAC-OS是指如下构成：一部分中观察到以该金属元素为主要成分的纳米粒子状区域和一部分中观察到以In为主要成分的纳米粒子状区域分别以马赛克状无规律地分散。
CAC-OS例如可以通过在对衬底不进行加热的条件下利用溅射法来形成。在利用溅射法形成CAC-OS的情况下，作为成膜气体，可以使用选自惰性气体(典型的是氩)、氧气体和氮气体中的一种或多种。另外，成膜时的成膜气体的总流量中的氧气体的流量比越低越好，例如，将氧气体的流量比设定为0％以上且低于30％，优选为0％以上且10％以下。
CAC-OS具有如下特征：通过X射线衍射(XRD：X-ray diffraction)测定法之一的Out-of-plane法利用θ/2θ扫描进行测定时，观察不到明确的峰值。也就是说，根据X射线衍射，可知在测定区域中没有a-b面方向及c轴方向上的取向。
另外，在通过照射束径为1nm的电子束(也称为纳米束)而取得的CAC-OS的电子衍射图案中，观察到环状的亮度高的区域以及在该环状区域内的多个亮点。由此，根据电子衍射图案，可知CAC-OS的结晶结构是在平面方向及截面方向上没有取向的nc(nano-crystal)结构。
另外，例如在In-Ga-Zn氧化物的CAC-OS中，根据通过能量分散型X射线分析法(EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy)取得的EDX面分析图像(EDX-mapping)，可确认到：具有以GaOX3为主要成分的区域及以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域不均匀地分布而混合的构成。
CAC-OS的结构与金属元素均匀地分布的IGZO化合物不同，具有与IGZO化合物不同的性质。换言之，CAC-OS具有以GaOX3等为主要成分的区域及以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域互相分离且以各元素为主要成分的区域为马赛克状的构成。
在此，以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域的导电性高于以GaOX3等为主要成分的区域。换言之，当载流子流过以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域时，呈现氧化物半导体的导电性。因此，当以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域在氧化物半导体中以云状分布时，可以实现高场效应迁移率(μ)。
另一方面，以GaOX3等为主要成分的区域的绝缘性高于以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域。换言之，当以GaOX3等为主要成分的区域在氧化物半导体中分布时，可以抑制关态电流而实现良好的开关工作。
因此，当将CAC-OS用于半导体元件时，通过起因于GaOX3等的绝缘性及起因于InX2ZnY2OZ2或InOX1的导电性的互补作用可以实现高通态电流(Ion)及高场效应迁移率(μ)。
另外，使用CAC-OS的半导体元件具有高可靠性。因此，CAC-OS适合于各种半导体装置。
本实施方式可以与其他实施方式的内容适当地组合。
(实施方式6)
在本实施方式中，对能够安装上述实施方式中说明的受电装置的电子设备进行说明。
图16A至图16F是示出电子设备的图。这些电子设备可以包括框体5000、显示部5001、扬声器5003、LED灯5004、操作键5005(包括电源开关或操作开关)、连接端子5006、传感器5007(具有测量如下因素的功能：力、位移、位置、速度、加速度、角速度、转速、距离、光、液、磁、温度、化学物质、声音、时间、硬度、电场、电流、电压、电力、辐射线、流量、湿度、倾斜度、振动、气味或红外线)、麦克风5008等。
图16A示出移动计算机，该移动计算机除了上述以外还可以包括开关5009、红外端口5010等。图16B示出具备记录介质的便携式图像再现装置(例如DVD再现装置)，该便携式图像再现装置除了上述以外还可以包括第二显示部5002、记录介质读取部5011等。图16C示出护目镜型显示器，该护目镜型显示器除了上述以外还可以包括第二显示部5002、支撑部5012、耳机5013等。图16D示出便携式游戏机，该便携式游戏机除了上述以外还可以包括记录介质读取部5011等。图16E示出具有电视接收功能的数码相机，该数码相机除了上述以外还可以包括天线5014、快门按钮5015、图像接收部5016等。图16F示出便携式游戏机，该便携式游戏机除了上述以外还可以包括第二显示部5002、记录介质读取部5011等。
图16A至图16F所示的电子设备可以具有各种功能。例如，可以具有如下功能：将各种数据(静态图像、动态图像、文字图像等)显示在显示部上；触控面板；显示日历、日期或时刻等；通过利用各种软件(程序)控制处理；进行无线通信；通过利用无线通信功能来连接到各种计算机网络；通过利用无线通信功能，进行各种数据的发送或接收；读出储存在记录介质中的程序或数据来将其显示在显示部上等。再者，在具有多个显示部的电子设备中，可以具有如下功能：一个显示部主要显示图像数据，而另一个显示部主要显示文字数据；或者，在多个显示部上显示考虑到视差的图像来显示立体图像等。再者，在具有图像接收部的电子设备中，可以具有如下功能：拍摄静态图像；拍摄动态图像；对所拍摄的图像进行自动或手动校正；将所拍摄的图像储存在记录介质(外部或内置于相机)中；将所拍摄的图像显示在显示部等。注意，图16A至图16F所示的电子设备可具有的功能不局限于上述功能，而可以具有各种功能。
本实施方式中说明的电子设备内藏有电池，可以进行上述实施方式中说明的无线供电。
参照图17A及图17B对电子设备的使用例进行说明。
图17A示出在车等移动物体内操作信息终端的例子。
5103是方向盘，内部有天线。方向盘5103内部的天线可以向电子设备5100供应电力。电子设备5100包括电池，可以利用无线供电进行充电。另外，可以在方向盘5103上设置能够固定电子设备5100的支架。当将电子设备5100固定于方向盘5103时，无需用手拿着电子设备就可以进行通话或视频电话。另外，通过利用电子设备5100的麦克风进行声音识别，可以里利用驾驶者的声音进行驾驶。
例如，可以在停车时操作电子设备5100使显示部5102显示位置信息。另外，可以在显示部5102上显示车内显示部5101没有显示的信息，例如，发动机旋转数、方向盘角度、温度、轮胎气压等。显示部5102具有触摸输入功能。另外，可以利用对车外进行摄影的一个或多个照相机在显示部5102上显示车外的情况，例如，可以将显示部5102用作后监视器。另外，为了防止疲劳驾驶，驾驶者可以利用电子设备5100进行如下设定：当边以无线方式从车接收行驶速度等信息边对行驶速度进行监视地行驶时，利用电子设备5100对驾驶者进行摄影，当驾驶者闭着眼睛的时间较长时，使电子设备5100震动或者发出警告音或放音乐等。另外，在停车时可以停止对驾驶者摄影来节省电力，并且可以在停车时对电子设备5100的电池进行无线充电。
如上所述，可以在车等移动物体中对电子设备5100进行各种应用，为了使电子设备5100具有多种功能，优选电子设备5100内藏有多个传感器及多个天线。虽然车等移动物体有电源，但是电源是有限的。考虑到驱动移动物体所需的电力等，优选电子设备5100所使用的电力尽量低。尤其是电动汽车等，由于电子设备5100的电力消耗会缩短行驶距离。即便使电子设备5100具有多种功能，同时使用所有功能的机会很少。根据需要大多只使用1个或2个功能。在分别对应各功能准备电池使具有多个电池的电子设备5100具有多种功能的情况下，通过仅打开想使用的功能并从对应该功能的电池供应电力，可以节省电力。再者，多个电池中对应没有使用的功能的电池可以利用车上设置的天线进行无线充电。
图17B示出在飞机等机内操作信息终端的例子。飞机等机内能够使用个人信息终端的时间等有限制，在飞行时间较长时飞机优选具有能够使用的信息终端。
电子设备5200是能够在显示部5202显示电影、游戏或广告等影像并能够利用通信功能即时获得现在的飞行位置及剩余飞行时间等的信息终端。另外，显示部5202具有触摸输入功能。
通过将电子设备5200嵌入座位5201的凹部内并在与电子设备5200重叠的位置设置天线设置部5203，可以在电子设备5200嵌入凹部内的期间对其进行无线供电。当使用者身体不适想与乘务员联系等时也可以将电子设备5200用作电话或通信工具。当电子设备5200具有翻译功能等时，与乘务员使用不同语种的乘客可以利用电子设备5200的显示部5202与乘务员进行沟通。此外，座位相邻的语种不同的乘客之间也可以利用电子设备5200的显示部5202进行交流。另外，还可以将显示部5202用作留言板。例如，在乘客睡觉时可以利用显示部5202一直显示“请勿打扰”等英文留言。
电子设备5200可以根据各功能设置多个电池。通过只打开想使用的功能关闭不使用的功能，可以节省电力。再者，多个电池中对应没有使用的功能的电池可以利用天线设置部5203进行无线供电。
另外，可以将多个座位所具有电子设备5200的电池设计为在飞机的电力系统出现异常时用作应急电源。由于多个座位所具有的电子设备5200都是同样的产品具有同样的设计，因此可以以电子设备5200能够作为应急电源串联连接的方式构建系统。
作为电子设备5200所具有的多个小型电池，可以使用锂聚合物电池等锂离子二次电池、锂离子电容器、双电层电容器和氧化还原电容器(redox capacitor)中的一种或多种。
接着，作为能够用于上述实施方式说明的受电部的电子设备的另一个例子，对人工器官进行说明。图18是示出起搏器的一个例子的截面示意图。
起搏器主体5300至少包括电池5301a、电池5301b、调节器、控制电路、天线5304、向右心房的导线5302以及向右心室的导线5303。
起搏器主体5300通过手术被植入体内，两根导线通过人体锁骨下静脉5305及上大静脉5306一根导线的前端被植入右心室另一根导线的前端被植入右心房。
另外，可以通过天线5304接收电力对电池5301a及电池5301b进行充电，由此可以降低起搏器的交换频率。起搏器主体5300有多个电池而具有较高的安全性，即使一个电池出现故障另一个电池也可以工作而可以用作辅助电源。另外，当将用于起搏器的电池再分为多个薄型电池并将其安装至设置有含有CPU等的控制电路的印刷电路板上，可以使起搏器主体5300更小更薄。
另外，除了能够接收电力的天线5304之外，还可以包括能够发送生理信号的天线。例如，可以构成能够利用外部监视器确认脉搏、呼吸数、心率、体温等生理信号的监视心脏活动的系统。
注意，该起搏器的设置方法只是一个例子，根据心脏病患者可以采用各种方式。
本实施方式不局限于起搏器。人工耳蜗是比起搏器更为普及的人工器官。人工耳蜗将声音转换为电信号利用植入耳蜗内的刺激装置直接刺激听觉神经的装置。
人工耳蜗包括通过手术植入耳内的第一装置以及利用麦克风拾取声音并将拾取的声音传送至植入的第一装置的第二装置。第一装置与第二装置彼此不电连接，其是通过无线进行发送及接收的系统。第一装置至少包括用来接收声音被转换后的电信号的天线以及直达耳蜗的导线。另外，第二装置至少包括用于将声音转换为电信号的声音处理部以及将该电信号发送至第一装置的发送电路。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
[符号说明]
100供电装置、101箭头、110供电线圈、120控制装置、121位置控制信号、122位置控制电路、123输出控制信号、124输出控制电路、130检测装置、130a检测装置、130b检测装置、131检测线圈、131a检测线圈、131b检测线圈、132检测线圈、132a检测线圈、132b检测线圈、133a区域、133b区域、133c区域、135基板、136检测装置、137箭头、138介电质、140移动装置、141轨道、142轨道、143线圈台、144轮胎、150框体、200受电装置、210受电线圈、220蓄电装置、300电子设备、500：半导体装置、510：存储电路、520：参照用存储电路、530：电路、540：电路、550：电流源电路、801：晶体管、811：绝缘层、812：绝缘层、813：绝缘层、814：绝缘层、815：绝缘层、816：绝缘层、817：绝缘层、818：绝缘层、819：绝缘层、820：绝缘层、821：金属氧化物膜、822：金属氧化物膜、822n：区域、823：金属氧化物膜、824：金属氧化物膜、830：氧化物层、850：导电层、850a：导电层、850b：导电层、851：导电层、852：导电层、853：导电层、853a：导电层、853b：导电层、860：半导体装置、870：单晶硅片、871：CMOS层、872：晶体管层、873：栅电极、874：电极、875：电极、5000：框体、5001：显示部、5002：显示部、5003：扬声器、5004：LED灯、5005：操作键、5006：连接端子、5007：传感器、5008：麦克风、5009：开关、5010：红外线端口、5011：记录介质读取部、5012：支撑部、5013：耳机、5014：天线、5015：快门按钮、5016：受像部、5100：电子设备、5101：显示部、5102：显示部、5103：方向盘、5200：电子设备、5201：座位、5202：显示部、5203：天线设置部、5300：起搏器主体、5301a：电池、5301b：电池、5302：导线、5303：导线、5304：天线、5305：锁骨下静脉、5306：上大静脉

Claims (5)

1.一种供电装置，包括：
供电线圈；
控制装置；
检测装置；以及
移动装置，
其中，所述供电线圈具有产生磁场的功能，
所述控制装置与所述供电线圈及所述检测装置电连接并具有决定所述供电线圈的位置的功能及发送位置控制信号的功能，
所述移动装置具有接收所述位置控制信号的功能及根据所述位置控制信号移动所述供电线圈的功能，
所述检测装置包括第一检测线圈及第二检测线圈，
所述第一检测线圈具有产生磁场的功能，
并且，所述第二检测线圈具有检测磁通密度的变化的功能。
2.一种供电装置，包括：
供电线圈；
控制装置；
检测装置；以及
移动装置，
其中，所述供电线圈具有产生磁场的功能，
所述控制装置与所述供电线圈及所述检测装置电连接并具有决定所述供电线圈的位置的功能及发送位置控制信号的功能，
所述移动装置具有接收所述位置控制信号的功能及根据所述位置控制信号移动所述供电线圈的功能，
所述检测装置具有第一线圈群及第二线圈群，
并且，所述第二线圈群位于由所述第一线圈群所包括的线圈中任一个围绕的区域。
3.根据权利要求2所述的供电装置，
其中所述第一线圈群和所述第二线圈群中的至少任一个包括第一检测线圈和第二检测线圈，
所述第一检测线圈具有产生磁场的功能，
并且所述第二检测线圈具有检测磁通密度的变化的功能。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的供电装置，
其中所述控制装置包括神经网络，
所述神经网络的输入层被输入所述检测信息，
并且从所述神经网络的输出层输出所述控制信号。
5.一种非接触供电系统，包括：
权利要求1至3中任一项所述的供电装置；以及
受电装置，
其中，所述受电装置包括蓄电装置及受电线圈，
所述蓄电装置与所述受电线圈电连接并利用感应到所述受电线圈的电力进行充电的功能，
并且，所述控制装置具有根据所述受电线圈的位置决定所述电源线圈的位置的功能。
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