DE10056282A1 - Künstliches Neuron, elektronische Schaltungsanordnung und künstliches neuronales Netz - Google Patents

Abstract

Das künstliche Neuron weist einen Transistor auf, dessen erster Anschluss eine Mehrzahl elektrisch leitender mechanisch biegbaren Nanostrukturen gekoppelt ist. Ferner sind eine Mehrzahl elektrischer Kontakte vorgesehen, die von den zweiten Enden der elektrisch leitenden nanostrukturen elektrisch kontaktierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein künstliches Neuron, eine elektronische Schaltungsanordnung sowie ein künstliches neuronales Netz.

Ein solches künstliches Neuron und eine solche elektronische Schaltungsanordnung sowie ein solches künstliches neuronales Netz sind aus [1] bekannt.

Bei einem solchen künstlichen Neuron werden üblicherweise ungefähr 100 bis 1000 MOS-Feldeffekttransistoren (Metal- Oxide-Semiconductor-Feldeffekttransistor) verwendet, um die Funktion eines künstlichen Neurons zu gewährleisten.

Unter einem künstlichen Neuron ist im weiteren ein Bauelement zu verstehen, vorzugsweise ein elektronisches Bauelement, das folgenden Voraussetzungen genügt:

• - das Bauelement weist mehrere Eingänge auf;
• - die Eingänge sollen unterschiedlich gewichtet werden können;
• - es soll eine Summenbildung über die gewichteten Eingangsgrößen durchgeführt werden können;
• - das künstliche Neuron weist mindestens einen Ausgang auf, an dem ein Ausgangssignal bereitgestellt wird, welches das Ergebnis der Summenbildung nach außen, beispielsweise an andere künstliche Neuronen weitergibt;
• - der Lernvorgang, d. h. beispielsweise eine Veränderung der Gewichte der Eingangsgrößen wird durch das Ausgangssignal am Ausgang des künstlichen Neurons bestimmt.

Die bekannten elektronischen Schaltungsanordnungen zur Realisierung eines künstlichen Neurons sind aufgrund ihrer großen Anzahl an erforderlichen MOS-Feldeffekttransistoren kompliziert, aufwendig und weisen einen erheblichen Platzbedarf auf einem Computerchip auf.

Weiterhin sind Grundlagen über künstliche neuronale Netze aus [2] bekannt.

Weiterhin ist aus [3] eine Hardware-Realisierung eines künstlichen Neurons bekannt, die eine Multi-Input-Floating- Gate-Struktur (MIFG-Struktur) aufweist. Eine solche MIFG- Struktur weist mehrere Eingänge auf, führt die Summenbildung durch und gibt das Ergebnis am Ausgang aus, d. h. stellt das Ausgangssignal am Ausgang der MIFG-Struktur bereit. Eine solche MIFG-Struktur hat jedoch von Natur aus feste Gewichte der Eingangsfunktionen, die nicht gemäß einer Lernfunktion angepasst werden können.

Um eine Adaption, d. h. eine Änderung der Gewichtung von Eingangssignalen, die an dem Eingang der MIFG-Struktur anliegen, zu ermöglichen, ist in diesem Fall eine Vielzahl von Transistoren erforderlich, um diese Funktion zu gewährleisten. Ferner sind für die Auswertung kleiner Sensorsignale, d. h. von Sensorsignalen mit einem geringen Signalpegel, weitere Transistoren erforderlich, um tatsächlich ein künstliches Neuron in dem oben beschriebenen Funktionsumfang zu realisieren.

Auch diese bekannte MIFG-Struktur weist insbesondere den Nachteil eines erheblichen Platzbedarfs bei der Realisierung auf einem Chip auf, weshalb auch die Herstellungskosten eines solchen künstlichen Neurons erheblich sind.

Aus [4] sind Grundlagen über Kohlenstoff-Nanoröhre und über Verfahren zu deren Herstellung bekannt.

In [5] ist ein Verfahren zum Herstellen von Silizium- Nanodrähten beschrieben.

Ferner ist in [6] der Kontaktierungsvorgang zwischen einem freien Ende einer Kohlenstoff-Nanoröhre und einem elektrischen Kontakt beschrieben.

Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein künstliches Neuron, eine elektrische Schaltungsanordnung mit einem künstlichen Neuron sowie ein künstliches neuronales Netz mit mindestens einem künstlichen Neuron anzugeben, wobei das künstlichen Neuron einen geringeren Platzbedarf aufweist als ein aus [1] oder [3] bekanntes künstliches Neuron.

Das Problem wird durch das künstliche Neuron, die elektronische Schaltungsanordnung mit mindestens einem künstlichen Neuron sowie durch ein künstliches neuronales Netz mit mindestens einem künstlichen Neuron mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Ein künstliches Neuron weist einen Transistor auf, an dessen ersten Anschluss jeweils ein Ende einer Mehrzahl von elektrisch leitenden mechanisch biegbaren Nanostrukturen gekoppelt ist.

Unter einer elektrisch leitenden mechanisch biegbaren Nanostruktur ist im Rahmen der Erfindung eine längliche Struktur in Nanogröße zu verstehen, die eine elektrisch leitende Eigenschaft aufweist. Beispiele für eine solche Nanostruktur sind Nanodrähte, vorzugsweise Silizium- Nanodrähte oder auch Nanoröhren, vorzugsweise Kohlenstoff- Nanoröhren.

Die Nanoröhren können sowohl halbleitend als auch metallisch leitend sein und können als einwandige oder auch als mehrwandige Nanoröhren ausgestaltet sein.

Ferner weist das künstliche Neuron eine Mehrzahl elektrischer Kontakte auf, die von den zweiten Enden der elektrisch leitenden Nanostrukturen elektrisch kontaktiert werden können. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Nanostruktur, beispielsweise die Kohlenstoff-Nanoröhren lang genug sind, dass sie gebogen werden können und durch die Biegung in elektrischen und mechanischen Kontakt mit den elektrischen Kontakten gebracht werden können.

Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass ein an einem ersten Anschluss des Transistors befestigtes, vorzugsweise mittels einer kovalenten Bindung gekoppeltes Nanoelement, d. h. eine elektrisch leitende mechanisch biegbare Nanostruktur vorgesehen ist, die durch Einwirkung eines elektrischen Feldes mittels eines in einer solchen Nanostruktur auftretenden Feldeffekts in Richtung vorgebbarer elektrischer Kontakte hin gebogen werden derart, dass sie mit diesen bei Anlegen eines ausreichend großen elektrischen Feldes in elektrischen und mechanischen Kontakt kommen und in diesem zumindest eine ausreichende Zeitdauer entsprechend den Anforderungen des künstlichen Neurons entsprechend dem Trainingsverfahrens verbleiben.

Die Bindung mit den elektrischen Kontakten kann beispielsweise mittels von der Waalschen Kräften erfolgen oder auch mittels einer kovalenten Bindung, beispielsweise bei einer Kohlenstoff-Nanoröhre mittels einer Gold- Schwefelkopplung mit einer auf der jeweiligen Elektrode vorgesehen Goldschicht. Alternativ kann zum lokalisierten Abscheiden einer Kohlenstoff-Nanoröhre ein beliebiges Metall oder eine beliebige Metallverbindung verwendet werden, beispielsweise Wolfram, Tantal, Kupfer, Titan, Titan-Nitrid, Tantal-Nitrid, welches bedeckt ist mit einem Katalysatormaterial für die Bildung einer Kohlenstoff- Nanoröhre, z. B. Platin, Eisen, Kobalt, Nickel, Molybdän, auf welchem Katalysatormaterial die Kohlenstoff-Nanoröhre beispielsweise mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden wird.

Der Transistor kann ein Feldeffekttransistor, vorzugsweise ein MOS-Feldeffekttransistor, ein Bipolartransistor oder auch ein Transistor mit einer MTFG-Struktur, im weiteren bezeichnet als MIFG-Transistor, sein. Allgemein kann jeder beliebige Transistor, d. h. ein Element, dessen Leitfähigkeit zwischen zwei Anschlüssen durch Anlegen eines elektrischen Feldes über einen dritten Anschluss steuerbar ist, eingesetzt werden.

So kann beispielsweise auch ein unter Verwendung von Nanoröhren, beispielsweise ein mittels Kohlenstoff-Nanoröhren gebildeter Transistor, im Rahmen dieser Erfindung eingesetzt werden.

Ferner kann der Transistor als ein High-Electron-Mobility- Transistor (HEMT-Transistor) ausgestaltet sein.

Ist der Transistor ein MOS-Feldeffekttransistor, so ist der Drain-Anschluss des MOS-Feldeffekttransistors über jeweils einen elektrischen Widerstand mit jeweils einem Eingang des künstlichen Neurons gekoppelt.

Mit anderen Worten bedeutet dies, dass mehrere elektrische Widerstände parallel geschaltet sind, so dass eine Mehrzahl von Eingängen gebildet werden, die alle an den ersten Anschluss, bei einem Feldeffekttransistor der Drain des Feldeffekttransistors, angeschlossen sind.

Ist der Transistor ein Bipolartransistor, so sind die elektrischen Widerstände mit dem Kollektor des Bipolartransistors parallel geschaltet.

Durch das erfindungsgemäße künstliche Neuron wird eine Hardware-Realisierung eines künstlichen Neurons mit erheblich verringertem Platzbedarf auf einem Chip, verglichen mit einer Hardware-Realisierung eines künstlichen Neurons gemäß dem Stand der Technik, erreicht.

Somit wird die Realisierung eines künstlichen Neurons oder auch eines künstlichen neuronalen Netzes oder allgemein einer elektrischen Schaltungsanordnung mit mindestens einem solchen künstlichen Neuron erheblich kostengünstiger herstellbar und ferner mit einem verringerten Platzbedarf realisierbar.

Das künstliche Neuron wird beispielsweise in einem Lernverfahren trainiert, d. h. die Gewichte an den Eingängen des künstlichen Neurons werden verändert, wenn das künstliche Neuron feuert, d. h. wenn Strom durch den Transistor fließt. In diesem Fall liegt an dem Ausgang des künstlichen Neurons ein hoher Spannungspegel (High-Pegel) an.

Weiterhin kann eine Spannungsquelle vorgesehen sein, die an einem zweiten Anschluss, vorzugsweise bei einem Feldeffekttransistor an dem Gate-Anschluss oder bei einem Bipolartransistor an dem Basis-Anschluss eine Spannung bereitgestellt wird, mit der der Transistor in einem vorgegebenen Arbeitspunkt betreibbar ist.

Der Transistor ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in einer Diodenschaltung geschaltet, wodurch zusätzlich eine Verstärkungsfunktion des Transistors erreicht wird.

Um einen vorgegebenen Pegel des an dem Ausgang des künstlichen Neurons anliegenden Ausgangssignals zu gewährleisten, d. h. um zu gewährleisten, dass das Ausgangssignal hochohmig anliegt, kann an einen dritten Anschluss des Transistorsein Inverter angeschlossen sein, bei einem MOS-Feldeffekttransistor als Transistor an den Source-Anschluss und bei einem Bipolartransistor als Transistor an dem Emitter-Anschluss.

Eine elektronische Schaltungsanordnung weist mindestens ein künstliches Neuron gemäß den oben beschriebenen Merkmalen auf.

Weiterhin kann das künstliche Neuron in einem künstlichen neuronalen Netz mit beliebiger Struktur eingesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im weiteren näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Skizze eines künstlichen Neurons gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild des künstlichen Neurons aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den das künstliche Neuron aus Fig. 1; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein künstliches Neuron gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit acht Eingängen.

Fig. 1 zeigt ein künstliches Neuron 100 mit einem MOS- Feldeffekttransistor 101.

Der Source-Anschluss 102 des MOS-Feldeffekttransistors 101 ist mit dem Massenpotential 103, allgemein mit einem frei vorgebbaren Bezugspotential verbunden.

Der Gate-Anschluss 104 des MOS-Feldeffekttransistors 101 ist mit einer Spannungsquelle gekoppelt, mit der eine Bias- Spannung an den MOS-Feldeffekttransistor 101 als Gate- Spannung anlegbar ist, wodurch das künstliche Neuron 100 in einem vorgegebenen Arbeitspunkt abhängig von der Bias- Spannung betrieben werden kann.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Gate-Anschluss 104 mit dem Drain-Anschluss 105 gekoppelt, d. h. der MOS- Feldeffekttransistor 101 ist in Diodenschaltung geschaltet.

An den Drain-Anschluss 105 ist ferner ein Inverter 106 angeschlossen, an dessen Ausgang 107 das Ausgangssignal 108 des künstlichen Neurons 100 hochohmig abgreifbar ist.

Der Drain-Anschluss 105 des MOS-Feldeffekttransistors 101 ist ferner mit einer mit Gold beschichteten Elektrode 109 gekoppelt, an die, wie im weiteren noch detailliert erläutert wird, gemäß diesem Ausführungsbeispiel Kohlenstoff-Nanoröhren kovalent mittels der Gold-Schwefelkopplung gebunden sind.

Alternativ kann zum Binden einer Kohlenstoff-Nanoröhre ein beliebiges Metall oder eine beliebige Metallverbindung für die Elektrode 109 verwendet werden, beispielsweise Wolfram, Tantal, Kupfer, Titan, Titan-Nitrid, Tantal-Nitrid welches bedeckt ist mit einem Katalysatormaterial für die Bildung einer Kohlenstoff-Nanoröhre, z. B. Platin, Eisen, Kobalt, Nickel, auf welchem Katalysatormaterial die Kohlenstoff- Nanoröhre beispielsweise abgeschieden wird.

Die Kohlenstoff-Nanoröhren 110 sind somit an einem ersten Ende 111 an die Elektrode 109 kovalent gebunden.

Das jeweilige zweite Ende 115 der Kohlenstoff-Nanoröhren ist in ihrem Grundzustand des künstlichen Neurons 100 frei, d. h. die Kohlenstoff-Nanoröhren 110 sind frei beweglich, werden jedoch aufgrund ihrer ihnen immanenten Federkraft in einen Ausgangszustand zurückgedrückt.

Weiterhin sind in dem künstlichen Neuron 100 eine zweite Elektrode 112, eine dritte Elektrode 113, sowie eine vierte Elektrode 114 vorgesehen, die die Eingänge des künstlichen Neurons 100 bilden.

Allgemein sind eine beliebige Anzahl n von zusätzlichen Elektroden 112, 113, 114 zum Bilden von Eingängen des künstlichen Neurons 100 vorgesehen.

In Fig. 1 ist die Situation gezeigt, dass an der zweiten Elektrode 112 eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren 110 mittels der Gold-Schwefel-Kopplung auf der mit Gold beschichteten zweiten Elektrode 112 kovalent gebunden sind, wodurch eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen dem entsprechenden Eingang, welcher mit der zweiten Elektrode 112 gekoppelt ist, gewährleistet wird.

Die dritte Elektrode 113 ist gemäß Fig. 1 mit keiner Kohlenstoff-Nanoröhre 110 gekoppelt, so dass ein an dem mit der dritten Elektrode 113 gekoppelten Eingang anliegendes Eingangssignal keinen Beitrag zu dem durch den MOS- Feldeffekttransistor 101 fließenden Strom leistet.

Die vierte Elektrode 114 ist mit einer Kohlenstoff-Nanoröhre 110 kovalent gebunden, wodurch zwar schon eine elektrische Leitung ermöglicht ist, die elektrische Leitfähigkeit jedoch noch relativ gering ist.

Es ist in diesem Zusammenfang darauf hinzuweisen, dass die elektrische Leitfähigkeit, wie im weiteren noch detailliert erläutert wird, mit der an einer Elektrode 112, 113, 114 gebundenen Anzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren 110 ansteigt.

Die Bindung der Kohlenstoff-Nanoröhren 110 an einer jeweiligen Elektrode 112, 113, 114 muss jedoch nicht kovalent erfolgen, sondern kann bei ausreichender Länge der Kohlenstoff-Nanoröhre 110 aufgrund der auftretenden von der Waalschen Kräfte zwischen der Elektrode 112, 113, 114 und der jeweiligen Kohlenstoff-Nanoröhre 110 gewährleistet werden, wenn die von der Waalschen Kräfte größer sind als die Federkraft der jeweiligen Kohlenstoff-Nanoröhre 110.

Zusammenfassend ausgedrückt weist das künstliche Neuron 100 somit einen üblichen Transistor 101, beispielsweise einen MOS-Feldeffekttransistor, einen Bipolartransistor oder auch einen MIFG-Transistor auf, wobei bei Einsatz eines MOS- Feldeffekttransistors 101 als Transistor des künstlichen Neurons 100 der Drain-Anschluss 105 mit einem Bündel von Kohlenstoff-Nanoröhren gekoppelt ist, die eine Anzahl von in ihrer Nähe sich befindenden elektrischen Kontakten, d. h. Elektroden, elektrisch und mechanisch kontaktieren können.

Es ist somit lediglich zu gewährleisten, dass die Länge der Kohlenstoff-Nanoröhren 110 ausreichend groß ist, so dass die zweiten Enden 115 der Kohlenstoff-Nanoröhren 110 an die jeweiligen Elektroden 112, 113, 114 binden können.

Die Kohlenstoff-Nanoröhren 110 können sich, da ihre zweiten Enden 115 frei und unabhängig voneinander bewegbar sind, unter dem Einfluss eines an das künstliche Neuron 100 angelegten elektrischen Feldes entsprechend der Ausrichtung des angelegten elektrischen Feldes zu den jeweiligen Elektroden, d. h. zu den elektrischen Kontakten hin oder von diesen weg bewegen und einen elektrischen Kontakt herstellen oder unterbrechen.

Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass der elektrische Widerstand einer einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhre 110 in einem Bereich von ungefähr 25,8 kΩ liegt, wobei sich noch Kontaktwiderstände in der gleichen Größenordnung additiv diesem sogenannten Klitzing-Widerstand überlagern können.

Somit wird zunächst nur ein schwacher elektrischer Kontakt zwischen der jeweiligen Kohlenstoff-Nanoröhre 110 und einer Elektrode 112, 113, 114, die jeweils einem Eingang des künstlichen Neurons 100 zugeordnet ist, hergestellt.

Ist das angelegte elektrische Feld ausreichend groß und/oder liegt es über eine längere Zeit oder sehr häufig an, so können eine grundsätzlich beliebige Anzahl von Kohlenstoff- Nanoröhren 110 zu einen elektrischen Kontakt, d. h. an eine Elektrode 112, 113, 114 bewegt und an diesen gebunden werden, wodurch der elektrische Widerstand der jeweiligen Kopplung zwischen der ersten Elektrode 109 und der zweiten, dritten bzw. vierten Elektrode, 112, 113, 114 gewährleistet werden kann.

Auf diese Weise kann ein Lernen, d. h. eine Veränderung der Gewichtung eines an einem Eingang des künstlichen Neurons 100 anliegenden elektrischen Signals realisiert werden, da die Gewichtung in diesem Fall der jeweiligen Leitfähigkeit der entsprechenden Kopplungen entspricht.

Das elektronische Ersatzschaltbild 200 des künstlichen Neurons 100 aus Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt.

Der Transistor 201 ist mit dessen ersten Anschluss 202 mit dem Massenpotential 203 gekoppelt und mit einem zweiten Anschluss 204 sowohl mit dem Ausgang 205 des künstlichen Neurons 200 als auch mit Widerstandselementen 206, deren elektrischer Widerstand einstellbar ist.

An einen dritten Anschluss 208 des Transistors 201 ist eine Bias-Spannung anlegbar, mit der gewährleistet wird, dass der Transistor 201 in einem vorgegebenen, sinnvollen Arbeitspunkt betrieben werden kann.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Widerstandselement 206 gebildet durch die jeweiligen Kohlenstoff-Nanoröhren 110, die mit der jeweiligen Elektrode, d. h. mit dem jeweiligen Eingang 207 des künstlichen Neurons gekoppelt sind.

Der Wert des jeweiligen elektrischen Widerstands wird eingestellt durch die Anzahl mit dem jeweiligen elektrischen Kontakt verbundenen Kohlenstoff-Nanoröhren 110 und der damit einstellbaren elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung zwischen der ersten Elektrode 109 und der zweiten, dritten bzw. vierten Elektrode 112, 113, 114.

An die Eingänge 207 des künstlichen Neurons 200 sind die jeweiligen Eingangssignale als Eingangsspannungen U1, U2, U3, . . . Un anlegbar.

Ist der Transistor 201 als Bipolartransistor ausgestaltet, so eignet sich das künstliche Neuron 200 insbesondere für den Einsatz in einer Stromschaltung.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch das künstliche Neuron 100, wobei der MOS-Feldeffekttransistor 101 in bekannter CMOS-Prozesstechnik auf einem Silizium-Substrat 301 oder auch einem Gallium-Arsenid-Substrat 301 gebildet wird.

Der MOS-Feldeffekttransistor 101 weist somit einen Source- Bereich 302, einen Gate-Bereich 303 sowie einen Drain-Bereich 304 und einen Kanalbereich 305 auf, dessen elektrische Leitfähigkeit mittels einer Gate-Spannung 303 gesteuert wird.

Auf dem Drain-Bereich 304 ist eine Metallisierungsschicht 306 aufgebracht ist, beispielsweise unter Einsatz eines Abscheideverfahrens aus der Gasphase, eines Sputter- Verfahrens oder eines Aufdampf-Verfahrens.

Die Metallisierungsschicht 306 ist durch eine Isolatorschicht 307 hindurch auf dem Drain-Anschluss 304 aufgebracht.

Die Isolatorschicht 307 ist zwischen dem Gate-Bereich 303 und dem Kanalbereich 305, um diese voneinander elektrisch zu isolieren.

Mittels der Metallisierungsschicht 306 wird der Drain- Anschluss 304 elektrisch mit einer auf der Oberfläche der Metallisierungsschicht 306 aufgebrachten Metallschicht, gemäß diesem Ausführungsbeispiel einer Goldschicht 307, kontaktiert. Auf der Metallschicht, auf der zusätzlich noch Katalysatormaterial aufgebracht sein kann, beispielsweise Platin, Eisen, Kobalt, Nickel, werden mittels eines Abscheideverfahrens aus der Gasphase Kohlenstoff-Nanoröhren abgeschieden.

Auf der Goldschicht 307 als Metallschicht können mittels der Gold-Schwefel-Kopplung Kohlenstoff-Nanoröhren 308, die auf der Goldschicht 307 abgeschieden werden, kovalent gebunden werden.

In eine Silizium-Dioxidschicht 309, in die ferner Elektroden, d. h. Metallkontakte als weitere Metallschichten 310 eingebracht sind, wird ein Graben 311 geätzt, bis auf die Oberfläche der ersten Elektrode 307, die gebildet wird von der Kohlenstoff-Nanoröhren bindenden Metallschicht 307 auf der Oberfläche der Metallisierungsschicht 306.

In dem Graben 311 wird mittels des in [4] beschriebenen Abscheideverfahrens aus der Gasphase unter Verwendung eines entsprechenden Katalysators, beispielsweise Eisen, Nickel, Kobalt, eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren 308 aufgewachsen, die an ihrem ersten Ende 312 mit der Goldschicht 307 eine kovalente Bindung gemäß der Gold- Schwefel-Kopplung eingehen.

Die zweiten Enden 313 der Kohlenstoff-Nanoröhren 308 sind frei beweglich.

Die Länge der Kohlenstoff-Nanoröhren 308 ist derart dimensioniert, dass sie durch Einwirken eines elektrischen Feldes verbogen werden können und zwar so weit, dass sie mit den elektrischen Kontakten 310 in dem künstlichen Neuron 100 elektrisch in Kontakt gebracht werden können.

Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass grundsätzlich eine beliebige Anzahl von elektrischen Kontakten 310 vorgesehen sein können, die vorzugsweise sternförmig auf das Zentrum, d. h. die zentrale Achse des Grabens 311 zu laufen und in das Dielektrikum, d. h. das Silizium-Dioxid 309 vorzugsweise mittels eines Dual-Damascene-Prozesses eingearbeitet sind.

Der Kontaktierungsvorgang zwischen den zweiten Enden 313 der Kohlenstoff-Nanoröhren 308 und den elektrischen Kontakten 310 als zweite, dritte bzw. vierte Elektrode 112, 113, 114 des künstlichen Neurons 100 erfolgt entsprechend der in [6] beschriebenen Vorgehensweise.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf ein künstliches Neuron 400 mit 8 Eingängen und den Eingängen 401 jeweils zugeordneten Metallelektroden 402 gemäß in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Kohlenstoff-Nanoröhren 403 mit einer zweiten Elektrode 404 gekoppelt und eine Kohlenstoff- Nanoröhre 403 ist mit einer siebten Elektrode 405 gekoppelt.

Das Lernen des künstlichen Neurons 400, d. h. das Verändern der Gewichte der Eingänge 401 des künstlichen Neurons 400 erfolgt dadurch, dass eine ausreichend große elektrische Spannung zum Erzeugen eines ausreichend großen elektrischen Feldes entsprechend der zu lernenden Größe generiert wird, so dass eine Kraft auf die gewünschten Kohlenstoff-Nanoröhren 403 erzeugt wird, so dass diese zu dem entsprechenden Kontakt, d. h. zu der entsprechenden Elektrode, zu der das entsprechende angelegte elektrische Feld gerichtet ist, hin verbiegt wird, bis es schließlich zu einer mechanische und elektrischen Kopplung mit der jeweiligen Elektrode 402 führt, gebildet wird, wodurch insgesamt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem jeweiligen Eingang, dem die jeweilige Elektrode zugeordnet ist und dem Drain-Anschluss des Transistors gebildet wird.

Die Kopplung kann aufgrund der von der Waalschen Kräfte auch nach Abschalten der angelegten Spannung erhalten bleiben, wenn die von der Waalschen Kräfte zwischen der jeweiligen Kohlenstoff-Nanoröhre und der Elektrode größer sind als die Federkräfte innerhalb der jeweiligen Kohlenstoff-Nanoröhre.

Alternativ kann auf der jeweiligen Oberfläche der Elektroden eine Goldschicht aufgebracht werden, wodurch eine Gold- Schwefelkopplung, d. h. eine kovalente Bindung zwischen der Goldschicht der Elektrode 402 und der Kohlenstoff-Nanoröhre 403 ermöglicht ist.

Weiterhin kann eine Verstärkung der Kopplung dadurch erfolgen, dass sich durch wiederholtes Anlegen eines Spannungspulses ein oder mehrere Kohlenstoff-Nanoröhren 403 zum selben Kontakt hin bewegen.

Durch die Parallelschaltung der Kohlenstoff-Nanoröhren zwischen der jeweiligen Elektrode und dem Drain-Anschluss des künstlichen Neurons wird der elektrische Widerstand der Kopplung, welche durch die Kohlenstoff-Nanoröhren 403 gebildet wird, mit jeder neu zugefügten, d. h. elektrisch kontaktierenden Kohlenstoff-Nanoröhre 403 erniedrigt, bis sich im wesentlichen keine ausreichend große elektrische Spannung zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 403 und der Elektrode 402 aufbauen kann und somit keine weiteren Kohlenstoff-Nanoröhren 403 zu dem Kontakt hin gebogen werden.

Auch ein Auftrennen, d. h. Loslösen von einzelnen oder mehreren Kohlenstoff-Nanoröhren 403 von einem jeweiligen Kontakt, d. h. einer Elektrode 402 ist ohne weiteres möglich, wodurch das künstliche Neuron 400 in seinem Lernverhalten reversibel ausgestaltet ist.

Zum Loslösen von einzelnen oder mehreren Kohlenstoff- Nanoröhren 403 von einem jeweiligen Kontakt sind an den Kontakten, d. h. an die jeweiligen Elektroden (Stör-) Spannungen anzulegen, die zum einen selbst Kohlenstoff- Nanoröhren 403 anziehen und zum anderen die von der Waalschen Kräfte der an dem Kontakt gebundenen Kohlenstoff-Nanoröhren 403 stören, so dass keine ausreichenden Kräfte mehr vorhanden sind, um die Kohlenstoff-Nanoröhren 403 an dem jeweiligen Kontakt, d. h. an die jeweilige Elektrode 402 zu binden.

Damit bewegt sich die Kohlenstoff-Nanoröhre 403 wieder in ihre Ausgangsstellung zurück aufgrund ihrer ihr immanenten Federkraft.

Somit ist die elektrische leitende Kopplung, die durch die entsprechende Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet wurde, wieder aufgetrennt.

Anschaulich entspricht dieses Prinzip einem mechanischen Relais mit Selbsthaltung.

In diesem Zusammenhang sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] A. Heittmann, J. Malin. C. Pintaske, and U. Ruckert, Digital VLSI implementation of a neural associative memory, MicroNeuro '97, 6th International Conference on Microelectronics for Neural Networks and Fuzzy Systems, S. 280-288, 1997;
[2] R. Rojas, Theorie der neuronalen Netze, Eine systematische Einführung, Springer-Verlag, ISBN 3-540- 56353-9, S. 29-72, 1993;
[3] T. Shibata und T. Ohmi, Neuron MOS binary-logic integrated circuits - Part I and II, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 40, S. 570-576 und 974-978, 1993;
[4] P. M. Ajayan, Nanotubes from Carbon, Chemical Review, S. 1787-1799, 1999;
[5] Sung-Wook Chung, Jae-Young Yu, James R. Heath, Silicon nanowire devices, Applied Physics Letters, Vol. 76, Nr. 15, S. 2068-2070, April 2000;
[6] P. Kim und C. M. Lieber, Nanotubes nanotweezers, Science, Volume 286, Reports, S. 2148-2150, Dezember 1999;

Bezugszeichenliste

100

Künstliches Neuron

101

MOS-Feldeffekttransistor

102

Source-Anschluss MOS-Feldeffekttransistor

103

Massepotential

104

Gate-Anschluss MOS-Feldeffekttransistor

105

Drain-Anschluss MOS-Feldeffekttransistor

106

Inverter

107

Ausgang Inverter

108

Ausgangssignal

109

Erste Elektrode

110

Kohlenstoff-Nanoröhre

111

Erstes Ende Kohlenstoff-Nanoröhre

112

Zweite Elektrode

113

Dritte Elektrode

114

Vierte Elektrode

115

Zweites Ende Kohlenstoff-Nanoröhre

200

Elektronisches Ersatzschaltbild künstliches Neuron

201

Transistor

202

Erster Anschlusstransistor

203

Massepotential

204

Zweiter Anschluss

205

Ausgang Transistor

206

Widerstandselement

207

Eingang

208

Dritter Anschluss Transistor
U1 Eingangsspannung
U2 Eingangsspannung
U3 Eingangsspannung
Un Eingangsspannung

301

Substrat

302

Source-Bereich

303

Gate-Bereich

304

Drain-Bereich

305

Kanalbereich

306

Metallschicht

307

Isolatorschicht

308

Kohlenstoff-Nanoröhre

309

Silizium-Dioxid-Schicht

310

Elektrode

311

Graben

312

Erstes Ende Kohlenstoff-Nanoröhre

314

Zweites Ende Kohlenstoff-Nanoröhre

400

Künstliches Neuron

401

Eingang künstliches Neuron

402

Elektrode

403

Kohlenstoff-Nanoröhre

404

Zweite Elektrode

405

Siebte Elektrode

Claims (16)

1. Künstliches Neuron mit
einem Transistor,
bei dem ein erster Anschluss des Transistors mit jeweils einem Ende einer Mehrzahl von elektrisch leitenden mechanisch biegbaren Nanostrukturen gekuppelt ist,
einer Mehrzahl elektrischer Kontakte, die von den zweiten Enden der elektrisch leitenden Nanostrukturen elektrisch kontaktiert werden können.

2. Künstliches Neuron nach Anspruch 1, bei dem die elektrisch leitenden Nanostrukturen zumindest teilweise Nanodrähte sind.

3. Künstliches Neuron nach Anspruch 2, bei dem die elektrisch leitenden Nanostrukturen zumindest teilweise Silizium-Nanodrähte sind.

4. Künstliches Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die elektrisch leitenden Nanostrukturen zumindest teilweise Nanoröhren sind.

5. Künstliches Neuron nach Anspruch 4, bei dem die Nanoröhren zumindest teilweise Kohlenstoff- Nanoröhren sind.

6. Künstliches Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zumindest ein Teil der Elektroden mit einer Schicht beschichtet ist, deren Moleküle mit den zweiten Enden der elektrisch leitenden Nanostrukturen eine kovalente Bindung eingehen kann.

7. Künstliches Neuron nach Anspruch 6,
bei dem die elektrisch leitenden Nanostrukturen zumindest teilweise Kohlenstoff-Nanoröhren sind, und
bei dem zumindest ein Teil der Elektroden mit einer hinsichtlich der Bildung einer Kohlenstoff-Nanoröhre katalytisch aktiven Schicht beschichtet ist, so dass eine Kupplung zwischen der katalytisch aktiven Schicht und der Kohlenstoff-Nanoröhre möglich ist.

8. Künstliches Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Spannungsquelle, die an einem zweiten Anschluss des Transistors eine Spannung bereitstellt, mit der der Transistor in einem vorgegebenen Arbeitspunkt betreibbar ist.

9. Künstliches Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Transistor in einer Diodenschaltung geschaltet ist.

10. Künstliches Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem an dem zweiten Anschluss des Transistors angeschlossenen Inverter.

11. Künstliches Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Transistor ein Feldeffekttransistor ist.

12. Künstliches Neuron nach Anspruch 11, bei dem der Feldeffekttransistor ein MOS-Feldeffekttransistor ist.

13. Künstliches Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Transistor ein Bipolartransistor ist.

14. Künstliches Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Transistor ein MIFG-Transistor ist.

15. Elektronische Schaltungsanordnung mit mindestens einem künstlichen Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 14.

16. Künstliches Neuronales Netz mit mindestens einem künstlichen Neuron nach einem der Ansprüche 1 bis 16.