DE112018003598T5

DE112018003598T5 - Stromversorgungsvorrichtung und kontaktfreies Stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE112018003598T5
Application number: DE112018003598.0T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Osada
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2020-04-16
Also published as: KR20200029526A; JP7167023B2; JPWO2019012372A1; WO2019012372A1; US20200203995A1; CN110870163A

Abstract

Die Übertragungseffizienz bei einem kontaktfreien Stromversorgungssystem wird erhöht. Eine Stromversorgungsvorrichtung wird bereitgestellt, die eine Stromversorgungsspule, eine Steuervorrichtung, eine Erfassungsvorrichtung und eine Bewegungsvorrichtung beinhaltet. Die Stromversorgungsspule weist eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes auf. Die Steuervorrichtung ist elektrisch mit der Stromversorgungsspule und der Erfassungsvorrichtung verbunden und weist eine Funktion zum Bestimmen der Position der Stromversorgungsspule sowie eine Funktion zum Senden eines Positionssteuersignals auf. Die Bewegungsvorrichtung weist eine Funktion zum Empfangen des Positionssteuersignals und eine Funktion zum Bewegen der Stromversorgungsspule auf Basis des Positionssteuersignals auf. Die Erfassungsvorrichtung beinhaltet eine erste Erfassungsspule und eine zweite Erfassungsspule, wobei die erste Erfassungsspule eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweist und die zweite Erfassungsspule eine Funktion zum Erfassen einer Änderung einer magnetischen Flussdichte aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung und ein kontaktfreies Stromversorgungssystem.
Es sei angemerkt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf das vorstehende technische Gebiet beschränkt ist. Das technische Gebiet der Erfindung, die in dieser Beschreibung und dergleichen offenbart wird, betrifft einen Gegenstand, ein Verfahren oder ein Herstellungsverfahren. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Prozess, eine Maschine, ein Erzeugnis oder eine Zusammensetzung (Zusammensetzung eines Materials). Daher umfassen insbesondere Beispiele für das technische Gebiet einer Ausführungsform der in dieser Beschreibung offenbarten vorliegenden Erfindung eine Halbleitervorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine Licht emittierende Vorrichtung, eine Stromspeichervorrichtung, eine Abbildungsvorrichtung, eine Speichervorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer von ihnen und ein Verfahren zum Herstellen einer von ihnen.
Stand der Technik
Es wird ein Verfahren entwickelt, bei dem eine Batterie ohne Kontakt geladen wird. Als typisches Verfahren werden ein elektromagnetisches Kopplungsverfahren (auch als elektromagnetisches Induktionsverfahren bezeichnet), ein elektromagnetisches Resonanzverfahren (auch als elektromagnetisches Resonanzkopplungsverfahren bezeichnet), ein Funkwellenverfahren (auch als Mikrowellenverfahren bezeichnet) und dergleichen angegeben.
Eine mögliche Maßnahme zum Erhöhen der Übertragungseffizienz des kontaktfrei zugeführten Stroms ist bei den kontaktfreien Stromversorgungsverfahren, wie z. B. den elektromagnetischen Kopplungsverfahren und den elektromagnetischen Resonanzverfahren, die Optimierung der Positionsbeziehung zwischen einer Stromempfangsspule einer Strom empfangenden Vorrichtung (nachstehend als Stromempfangsvorrichtung bezeichnet) und einer Stromversorgungsspule einer Strom zuführenden Vorrichtung (nachstehend als Stromversorgungsvorrichtung bezeichnet). Dementsprechend sind Technologien entwickelt worden, um die Positionsbeziehung zwischen der Stromempfangsspule und der Stromversorgungsspule zu optimieren, indem die Stromversorgungsspule gemäß der Position der Stromempfangsspule bewegt wird.
Patentdokument 1 offenbart eine Stromversorgungsvorrichtung mit einem elektromagnetischem Resonanzverfahren, die eine Funktion aufweist, die Position einer Stromempfangsspule einer Stromempfangsvorrichtung zu erfassen und gemäß der Position der Stromempfangsspule eine Stromversorgungsspule zu bewegen.
Patentdokument 2 offenbart eine Stromversorgungsvorrichtung mit elektromagnetischem Kopplungsverfahren, die eine Funktion aufweist, die Position einer Stromempfangsspule einer Stromempfangsvorrichtung zu erfassen und gemäß der Position der Stromempfangsspule eine Stromversorgungsspule zu bewegen.
[Referenz]
[Patentdokument]

[Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-147659
[Patentdokument 2] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2013-240276

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine neuartige Stromversorgungsvorrichtung bereitzustellen. Beispielsweise ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei einer Stromversorgungsvorrichtung mit elektromagnetischem Induktionsverfahren, die eine Funktion aufweist, die Position einer Stromempfangsspule einer Stromempfangsvorrichtung zu erfassen und gemäß der Position der Stromempfangsspule eine Stromversorgungsspule zu bewegen, die Erfassungsgenauigkeit der Position der Stromempfangsspule zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die optimale Position der Stromversorgungsspule der Stromversorgungsvorrichtung genauer, leichter oder sicherer zu bestimmen.
Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein neuartiges kontaktfreies Stromversorgungssystem bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die Stromübertragungseffizienz eines kontaktfreien Stromversorgungssystems zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die Zweckmäßigkeit eines kontaktfreien Stromversorgungssystems zu erhöhen.
Die Aufgaben einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die vorstehenden Aufgaben beschränkt. Die vorstehenden Aufgaben stehen dem Vorhandensein weiterer Aufgaben nicht im Wege. Bei den weiteren Aufgaben handelt es sich um diejenigen, die in diesem Abschnitt nicht beschrieben worden sind und im Folgenden beschrieben werden. Für Fachmänner werden die weiteren Aufgaben, die in diesem Abschnitt nicht beschrieben worden sind, aus der Erläuterung der Beschreibung, der Zeichnungen und dergleichen ersichtlich, und sie können diese je nach Bedarf davon ableiten. Es sei angemerkt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens eine der vorstehenden Aufgaben und/oder der weiteren Aufgaben erfüllt.
Mittel zur Lösung des Problems
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Stromversorgungsvorrichtung, die eine Stromversorgungsspule, eine Steuervorrichtung, eine Erfassungsvorrichtung und eine Bewegungsvorrichtung beinhaltet. Die Stromversorgungsspule weist eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes auf. Die Steuervorrichtung ist elektrisch mit der Stromversorgungsspule und der Erfassungsvorrichtung verbunden und weist eine Funktion zum Bestimmen der Position der Stromversorgungsspule sowie eine Funktion zum Senden eines Positionssteuersignals auf. Die Bewegungsvorrichtung weist eine Funktion zum Empfangen des Positionssteuersignals und eine Funktion zum Bewegen der Stromversorgungsspule auf Basis des Positionssteuersignals auf. Die Erfassungsvorrichtung beinhaltet eine erste Erfassungsspule und eine zweite Erfassungsspule, wobei die erste Erfassungsspule eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweist und die zweite Erfassungsspule eine Funktion zum Erfassen einer Änderung einer magnetischen Flussdichte aufweist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Stromversorgungsvorrichtung, die eine Stromversorgungsspule, eine Steuervorrichtung, eine Erfassungsvorrichtung und eine Bewegungsvorrichtung beinhaltet. Die Stromversorgungsspule weist eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes auf. Die Steuervorrichtung ist elektrisch mit der Stromversorgungsspule und der Erfassungsvorrichtung verbunden und weist eine Funktion zum Bestimmen der Position der Stromversorgungsspule sowie eine Funktion zum Senden eines Positionssteuersignals auf. Die Bewegungsvorrichtung weist eine Funktion zum Empfangen des Positionssteuersignals und eine Funktion zum Bewegen der Stromversorgungsspule auf Basis des Positionssteuersignals auf. Die Erfassungsvorrichtung beinhaltet eine erste Gruppe von Spulen und eine zweite Gruppe von Spulen, wobei sich die zweite Gruppe von Spulen in einem Bereich befindet, der von einer von Spulen in der ersten Gruppe umschlossen ist.
Bei der Stromversorgungsvorrichtung mit der vorstehenden Struktur beinhalten/beinhaltet die erste Gruppe von Spulen und/oder die zweite Gruppe von Spulen vorzugsweise eine erste Erfassungsspule und eine zweite Erfassungsspule, wobei die erste Erfassungsspule eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweist und die zweite Erfassungsspule eine Funktion zum Erfassen einer Änderung einer magnetischen Flussdichte aufweist.
Bei der Stromversorgungsvorrichtung mit einer der vorstehenden Strukturen ist es vorzuziehen, dass die Steuervorrichtung ein neuronales Netz beinhaltet, wobei in eine Eingabeschicht des neuronalen Netzes die Erfassungsdaten eingegeben werden und aus einer Ausgabeschicht des neuronalen Netzes das Steuersignal ausgegeben wird.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein kontaktfreies Stromversorgungssystem, das die Stromversorgungsvorrichtung mit einer der vorstehenden Strukturen und eine Stromempfangsvorrichtung beinhaltet. Die Stromempfangsvorrichtung beinhaltet eine Stromspeichervorrichtung und eine Stromempfangsspule. Die Stromspeichervorrichtung ist elektrisch mit der Stromempfangsspule verbunden und weist eine Funktion auf, mit von der Stromempfangsspule induziertem Strom geladen zu werden. Die Steuervorrichtung weist eine Funktion auf, gemäß der Position der Stromempfangsspule die Position der Stromversorgungsspule zu bestimmen.
Wirkung der Erfindung
Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine neuartige Stromversorgungsvorrichtung bereitgestellt werden. Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann alternativ bei einer Stromversorgungsvorrichtung mit elektromagnetischem Induktionsverfahren, die eine Funktion aufweist, die Position einer Stromempfangsspule einer Stromempfangsvorrichtung zu erfassen und gemäß der Position der Stromempfangsspule eine Stromversorgungsspule zu bewegen, die Erfassungsgenauigkeit der Position der Stromempfangsspule erhöht werden. Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann alternativ die optimale Position der Stromversorgungsspule der Stromversorgungsvorrichtung genauer, leichter oder sicherer bestimmt werden.
Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann alternativ ein neuartiges kontaktfreies Stromversorgungssystem bereitgestellt werden. Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann alternativ die Stromübertragungseffizienz des kontaktfreien Stromversorgungssystems erhöht werden. Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann alternativ die Zweckmäßigkeit eines kontaktfreien Stromversorgungssystems erhöht werden.
Die Wirkungen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die vorstehenden Wirkungen beschränkt. Die vorstehend beschriebenen Wirkungen stehen dem Vorhandensein weiterer Wirkungen nicht im Wege. Bei den weiteren Wirkungen handelt es sich um diejenigen, die in diesem Abschnitt nicht beschrieben worden sind und im Folgenden beschrieben werden. Für Fachmänner werden die weiteren Wirkungen, die in diesem Abschnitt nicht beschrieben worden sind, aus der Erläuterung der Beschreibung, der Zeichnungen und dergleichen ersichtlich, und sie können diese je nach Bedarf davon ableiten. Es sei angemerkt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens eine der vorstehenden Wirkungen und/oder der weiteren Wirkungen erfüllt. Dementsprechend weist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einigen Fällen die vorstehenden Wirkungen nicht auf.
Figurenliste

[1] Ein Blockschema und eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
[2] Eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
[3] Eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
[4] Perspektivische Ansichten, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
[5] Ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
[6] Ein Blockschema, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
[7] Darstellungen, die ein Konfigurationsbeispiel eines neuronalen Netzes darstellen.
[8] Eine Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt.
[9] Eine Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel einer Speichervorrichtung darstellt.
[10] Eine Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel einer Speicherzelle darstellt.
[11] Eine Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel einer Schaltung darstellt.
[12] Ein Zeitdiagramm.
[13] Darstellungen, die ein Konfigurationsbeispiel eines Transistors darstellen.
[14] Eine Darstellung, die eine Energiebandstruktur darstellt.
[15] Eine Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt.
[16] Darstellungen, die Konfigurationsbeispiele von elektronischen Geräten darstellen.
[17] Darstellungen, die Konfigurationsbeispiele von elektronischen Geräten darstellen.
[18] Eine Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel eines elektronischen Geräts darstellt.

Beste Art zur Ausführung der Erfindung
(Ausführungsform 1)
Bei dieser Ausführungsform werden eine Stromversorgungsvorrichtung und ein kontaktfreies Stromversorgungssystem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von 1 bis 5 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird ferner als Stromversorgungsvorrichtung und kontaktfreies Stromversorgungssystem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielhaft ein kontaktfreies Stromversorgungssystem beschrieben, das eine Stromversorgungsvorrichtung 100 und eine Stromempfangsvorrichtung 200 beinhaltet.
1(A) zeigt ein Blockschema der Stromversorgungsvorrichtung 100 und der Stromempfangsvorrichtung 200. 1(B) zeigt eine perspektivische Ansicht der Stromversorgungsvorrichtung 100 und eines elektronischen Geräts 300. In 1(B) ist das elektronische Gerät 300 zum Laden einer Stromspeichervorrichtung 220 über der Stromversorgungsvorrichtung 100 platziert. An dem elektronischen Gerät 300 ist die Stromempfangsvorrichtung 200 montiert. Die Stromempfangsvorrichtung 200 beinhaltet eine Stromempfangsspule 210.
Zuerst wird die Struktur der Stromversorgungsvorrichtung 100 beschrieben.
Wie in 1(A) gezeigt, beinhaltet die Stromversorgungsvorrichtung 100 eine Stromversorgungsspule 110, eine Wechselstromquelle 111, eine Steuervorrichtung 120, eine Erfassungsvorrichtung 130 und eine Bewegungsvorrichtung 140. Wie in 1(B) gezeigt, beinhaltet ferner die Stromversorgungsvorrichtung 100 ein Gehäuse 150, das die Stromversorgungsspule 110, die Wechselstromquelle 111, die Steuervorrichtung 120, die Erfassungsvorrichtung 130 und die Bewegungsvorrichtung 140 einschließt.
Bei der Stromversorgungsvorrichtung 100 weist die Erfassungsvorrichtung 130 eine Funktion zum Erfassen der Position der Stromempfangsspule 210 und eine Funktion zum Senden eines Erfassungssignals auf, das das Erfassungsergebnis enthält. Die Steuervorrichtung 120 weist eine Funktion zum Bestimmen der optimalen Position der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Erfassungssignals, eine Funktion zum Senden eines Positionssteuersignals 121, das die Positionsdaten enthält, und eine Funktion zum Senden eines Ausgabesteuersignals 123 zum Steuern der Ausgabe der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Erfassungssignals auf. Die Bewegungsvorrichtung 140 weist eine Funktion auf, auf Basis des Positionssteuersignals 121, wie durch einen Pfeil 101 in 1(B) dargestellt, die Stromversorgungsspule 110 in die optimale Position zu bewegen. Die Wechselstromquelle 111 weist eine Funktion zum Zuführen der Spannung zu der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Ausgabesteuersignals 123 auf.
Dementsprechend kann die Stromversorgungsvorrichtung 100 die Position der Stromempfangsspule 210 erfassen, gemäß der Position der Stromempfangsspule 210 die Stromversorgungsspule 110 in die optimale Position bewegen und dann die Stromempfangsspule 210 mit einem Strom versorgen.
Die Steuervorrichtung 120 ist elektrisch mit der Wechselstromquelle 111, der Erfassungsvorrichtung 130 und der Bewegungsvorrichtung 140 verbunden. Die Steuervorrichtung 120 weist eine Funktion zum Empfangen des Erfassungssignals auf, das von der Erfassungsvorrichtung 130 gesendet wird. Die Steuervorrichtung 120 weist ferner eine Funktion zum Bestimmen der optimalen Position der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Erfassungssignals und eine Funktion zum Senden des Positionssteuersignals 121, das die Positionsdaten enthält, an die Bewegungsvorrichtung 140 auf. Die Steuervorrichtung 120 weist ferner eine Funktion zum Senden des Ausgabesteuersignals 123 zum Steuern der Stärke der Ausgabe der Stromversorgungsspule 110 entsprechend dem Erfassungssignal an die Wechselstromquelle 111 auf.
Die Steuervorrichtung 120 kann eine Funktion aufweisen, in dem Fall, in dem sie während der Stromversorgung der Stromempfangsspule 210 von der Stromversorgungsspule 110 die tatsächliche Position der Stromversorgungsspule 110 als von der optimalen Position der Stromversorgungsspule 110 abgewichen wahrnimmt, das Ausgabesteuersignal 123, das Daten zum Unterbrechen der Stromversorgung enthält, zu senden.
Die Steuervorrichtung 120 kann eine Vollladung-Erfassungsschaltung beinhalten, die die Vollladung der Stromspeichervorrichtung 220 der Stromempfangsvorrichtung 200 erfasst. Die Steuervorrichtung 120 kann eine Funktion aufweisen, das Ausgabesteuersignal 123, das Daten zum Beenden der Stromversorgung enthält (nachstehend auch als Endsignal bezeichnet), an die Wechselstromquelle 111 zu senden, wenn sie die Vollladung der Stromspeichervorrichtung 220 erfasst.
Wenn ein neuronales Netz für die Steuervorrichtung 120 verwendet wird, kann die optimale Position der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Erfassungssignals leichter mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Die Details der Struktur, bei der ein neuronales Netz für die Steuervorrichtung 120 verwendet wird, werden bei der Ausführungsform 2 beschrieben.
Die Wechselstromquelle 111 ist elektrisch mit der Stromversorgungsspule 110 verbunden. Die Wechselstromquelle 111 weist eine Funktion zum Empfangen des Ausgabesteuersignals 123 auf. Die Wechselstromquelle 111 weist ferner eine Funktion zum Zuführen der Spannung zu der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Ausgabesteuersignals 123 auf. Die Wechselstromquelle 111 weist ferner eine Funktion zum Unterbrechen des Zuführens der Spannung zu der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Ausgabesteuersignals 123 auf.
Die Stromversorgungsspule 110 weist eine Funktion, durch den Betrieb der Bewegungsvorrichtung 140 bewegt zu werden, und eine Funktion auf, mit von der Wechselstromquelle 111 zugeführter Spannung ein magnetisches Feld zu erzeugen. Dementsprechend kann die Stromversorgungsspule 110 gemäß der Position der Stromempfangsspule 210 in die optimale Position bewegt werden und dann die Stromempfangsspule 210 laden.
Es sei angemerkt, dass die Stromversorgungsvorrichtung 100 lediglich eine Stromversorgungsspule 110 oder eine Vielzahl von Stromversorgungsspulen 110 beinhalten kann. Mit der Stromversorgungsvorrichtung 100, die mit der Vielzahl von Stromversorgungsspulen 110 versehen ist, kann die Stromversorgung einer Vielzahl von Stromempfangsvorrichtungen durchgeführt werden.
Wie in 1(A) gezeigt, beinhaltet die Erfassungsvorrichtung 130 eine Vielzahl von Erfassungsspulen. Die Erfassungsvorrichtung 130 ist beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte oder dergleichen, und die Erfassungsspulen sind mit gedruckten Leitungen über dem Substrat ausgebildet. Außerdem kann die Erfassungsvorrichtung 130 mit einem Substrat und einer kleinen Spule oder einem Chipinduktor, die/der über dem Substrat bereitgestellt ist, oder dergleichen ausgebildet werden. Die Details der Erfassungsspulen, z. B. ihre Layout, Form und Größe, werden nachstehend beschrieben.
Die Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130 weisen eine Funktion auf, die Position der Stromempfangsspule 210 zu erfassen und dann das Erfassungssignal, das das Erfassungsergebnis enthält, an die Steuervorrichtung 120 zu senden. Die Position der Stromempfangsspule 210 kann erfasst werden, indem eine Änderung einer magnetischen Flussdichte um die Erfassungsspulen herum erfasst wird. Es können die Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130 sämtlich die gleiche Funktion aufweisen; alternativ können sich die Funktion von einigen der Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130 und die Funktion von den anderen der Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130 voneinander unterscheiden.
1(A) zeigt ein Beispiel, in dem die Erfassungsvorrichtung 130 Erfassungsspulen 131 und Erfassungsspulen 132, die jeweils unterschiedliche Funktionen aufweisen, beinhaltet. Die Erfassungsspulen 131 weisen eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes auf. Die Erfassungsspulen 132 weisen eine Funktion auf, eine Änderung einer magnetischen Flussdichte zu erfassen und dann das Erfassungssignal an die Steuervorrichtung 120 zu senden.
Es sei angemerkt, dass das Zweck der Erzeugung eines magnetischen Feldes durch die Erfassungsspulen 131 darin besteht, die Position der Stromempfangsspule 210 zu erfassen, und sich von demjenigen der Erzeugung eines magnetischen Feldes durch die Stromversorgungsspule 110 unterscheidet. Dementsprechend ist der Maximalwert der Stärke des magnetischen Feldes, das die Erfassungsspulen 131 erzeugen, kleiner als derjenige der Stärke des magnetischen Feldes, das die Stromversorgungsspule 110 zur Stromversorgung erzeugt.
Wie vorstehend beschrieben, wird vorzugsweise ein neuronales Netz für die Steuervorrichtung 120 verwendet, da selbst auf Basis eines komplizierten Erfassungssignals die optimale Position der Stromversorgungsspule 110 mit Sicherheit bestimmt werden.
Wie in 1(A) gezeigt, weist die Bewegungsvorrichtung 140 eine Funktion zum Empfangen des Positionssteuersignals 121 und eine Funktion zum Bewegen der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Positionssteuersignals 121 auf. Die Stromversorgungsspule 110 wird horizontal bzw. in Richtung parallel mit dem Substrat und dergleichen der Erfassungsvorrichtung 130 bewegt. Die Details der Struktur der Bewegungsvorrichtung 140 werden nachstehend beschrieben.
Das Vorstehende ist die Beschreibung der Struktur der Stromversorgungsvorrichtung 100.
Als Nächstes wird die Struktur der Stromempfangsvorrichtung 200 beschrieben.
Wie in 1(A) gezeigt, beinhaltet die Stromempfangsvorrichtung 200 die Stromspeichervorrichtung 220 und die Stromempfangsspule 210. Wie in 1(B) gezeigt, kann die Stromempfangsvorrichtung 200 auch an dem elektronischen Gerät 300 montiert sein.
Die Stromempfangsspule 210 weist eine Funktion zum Empfangen des Stroms mittels eines magnetischen Feldes auf, das von der Stromversorgungsspule 110 der Stromversorgungsvorrichtung 100 erzeugt wird.
Die Stromspeichervorrichtung 220 ist elektrisch mit der Stromempfangsspule 210 verbunden und weist eine Funktion auf, mit von der Stromempfangsspule 210 empfangenem Strom geladen zu werden.
Das Vorstehende ist die Beschreibung der Struktur der Stromempfangsvorrichtung 200.
Als Nächstes werden die Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130 anhand von 2 ausführlich beschrieben.
Die Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130 gehören jeweils zu einer der ersten bis N-ten Gruppen der Erfassungsspulen (N ist eine natürliche Zahl von größer als oder gleich 2). Ferner befinden sich einige der Erfassungsspulen, die zu einer n-ten Gruppe der Erfassungsspulen gehören (n ist eine natürliche Zahl von größer als oder gleich 2 und kleiner als oder gleich N), in einem Bereich, der von einer der Erfassungsspulen, die zu einer (n-1)-ten Gruppe der Erfassungsspulen gehören, umschlossen ist.
Mit einer derartigen Struktur kann die Interferenz des magnetischen Feldes zwischen Erfassungsspulen, die zu voneinander unterschiedlichen Gruppen gehören, verhindert werden und kann zwischen Erfassungsspulen, die zur gleichen Gruppe gehören, ein stabileres magnetisches Feld erzeugt werden. Außerdem kann zwischen Erfassungsspulen, die zur gleichen Gruppe gehören, eine Änderung einer magnetischen Flussdichte mit höherer Genauigkeit erfasst werden.
Wenn beispielsweise die Erfassungsvorrichtung 130 die Erfassungsspulen 131, die eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweisen, und die Erfassungsspulen 132, die eine Funktion aufweisen, eine Änderung einer magnetischen Flussdichte zu erfassen und das Erfassungssignal an die Steuervorrichtung 120 zu senden, beinhaltet, kann zwischen den Erfassungsspulen 131, die zur gleichen Gruppe gehören, ein stabileres magnetisches Feld erzeugt werden. In diesem Fall kann ferner zwischen den Erfassungsspulen 132, die zur gleichen Gruppe gehören, eine Änderung einer magnetischen Flussdichte mit höherer Genauigkeit erfasst werden. Bei einer derartigen Struktur kann dementsprechend die Erfassungsgenauigkeit der Erfassungsvorrichtung erhöht werden.
2(A) zeigt ein Beispiel für eine Draufsicht auf die Erfassungsvorrichtung 130. 2(B) zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils der Erfassungsvorrichtung 130.
Es sei angemerkt, dass 2 ein Beispiel zeigt, in dem jede der Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130 entweder zu der ersten oder zweiten Gruppe der Erfassungsspulen gehört. 2 zeigt ferner ein Beispiel, in dem die Erfassungsvorrichtung 130 die Erfassungsspulen 131, die eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweisen, und die Erfassungsspulen 132, die eine Funktion aufweisen, eine Änderung einer magnetischen Flussdichte zu erfassen und das Erfassungssignal an die Steuervorrichtung 120 zu senden, beinhaltet.
Die Erfassungsvorrichtung 130 in 2(A) beinhaltet ein Substrat 135, zwei Erfassungsspulen 131a, zwei Erfassungsspulen 132a, acht Erfassungsspulen 131b und acht Erfassungsspulen 132b. Die Erfassungsspulen 131a, die Erfassungsspulen 132a, die Erfassungsspulen 131b und die Erfassungsspulen 132b sind gedruckte Leitungen, die über dem Substrat 135 ausgebildet sind.
Es sei angemerkt, dass 2(A) die Erfassungsspulen 131a und 132a als spezifisches Beispiel für die Erfassungsspulen, die zu der ersten Gruppe der Erfassungsspulen gehören, zeigt. 2(A) zeigt ferner die Erfassungsspulen 131b und die Erfassungsspulen 132b als spezifisches Beispiel für die Erfassungsspulen, die zu der zweiten Gruppe der Erfassungsspulen gehören. 2(A) zeigt ferner die Erfassungsspulen 131a und die Erfassungsspulen 131b als spezifisches Beispiel für die Erfassungsspulen 131, die eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweisen. 2(A) zeigt ferner die Erfassungsspulen 132a und die Erfassungsspulen 132b als spezifisches Beispiel für die Erfassungsspulen 132, die eine Funktion zum Senden des Erfassungssignals an die Steuervorrichtung 120 aufweisen.
Bei der Erfassungsvorrichtung 130 in 2(A) weisen die Erfassungsspulen 131a und die Erfassungsspulen 132a die gleiche Größe auf. Ferner befinden sich die zwei Erfassungsspulen 131a und die zwei Erfassungsspulen 132a in einem Bereich 133a.
Bei einer derartigen Struktur kann zwischen den zwei Erfassungsspulen 131a ein stabiles magnetisches Feld erzeugt werden. Ferner kann zwischen den zwei Erfassungsspulen 132a eine Änderung einer magnetischen Flussdichte mit höherer Genauigkeit erfasst werden.
Bei der Erfassungsvorrichtung 130 in 2(A) weisen ferner die Erfassungsspulen 131b und die Erfassungsspulen 132b die gleiche Größe auf. Die Erfassungsspulen 131b und die Erfassungsspulen 132b sind kleiner als die Erfassungsspulen 131a und die Erfassungsspulen 132a. Die zwei Erfassungsspulen 131b und die zwei Erfassungsspulen 132b befinden sich in einem Bereich 133b, der von einer der Erfassungsspulen 131a oder einer der Erfassungsspulen 132a umschlossen ist.
Bei einer derartigen Struktur kann zwischen den zwei Erfassungsspulen 131b, die sich in dem gleichen Bereich 133b befinden, ein stabiles magnetisches Feld erzeugt werden. Ferner kann zwischen den zwei Erfassungsspulen 132b, die sich in dem gleichen Bereich 133b befinden, eine Änderung einer magnetischen Flussdichte mit höherer Genauigkeit erfasst werden.
Es sei angemerkt, dass die Erfassungsvorrichtung 130 eine Erfassungsspule beinhalten kann, die sich in einem Bereich 133c (siehe 2(A)) befindet, der von einer der Erfassungsspulen 131b oder einer der Erfassungsspulen 132b umschlossen ist. Zum Beispiel werden vorzugsweise vier Erfassungsspulen in dem Bereich 133c bereitgestellt, so dass eine Änderung einer magnetischen Flussdichte ausführlicher erfasst werden kann.
Es sei angemerkt, dass bei der Erfassungsvorrichtung 130 in 2(A) die zwei Erfassungsspulen 131a derart angeordnet werden, dass sie nicht nebeneinander liegen. Die zwei Erfassungsspulen 132a werden derart angeordnet, dass sie nicht nebeneinander liegen. Die zwei Erfassungsspulen 131b werden derart angeordnet, dass sie nicht nebeneinander liegen. Die zwei Erfassungsspulen 132b werden derart angeordnet, dass sie nicht nebeneinander liegen.
2(B) zeigt eine perspektivische Ansicht des Bereichs 133a sowie der Erfassungsspulen 131a und der Erfassungsspulen 132a, die sich in dem Bereich 133a befinden. 2(B) zeigt einen Pfeil 137, der ein magnetisches Feld darstellt, das zwischen den zwei Erfassungsspulen 131a erzeugt werden kann. Wie vorstehend beschrieben, kann bei der in 2(A) gezeigten Struktur ein stabiles magnetisches Feld zwischen den zwei Erfassungsspulen 131a erzeugt werden. Ferner kann auch ein stabiles magnetisches Feld zwischen den zwei Erfassungsspulen 131b erzeugt werden.
Wie vorstehend beschrieben, sind bei der in 2(A) gezeigten Struktur die Erzeugung des stabileren magnetischen Feldes und die Erfassung einer Änderung einer magnetischen Flussdichte mit höherer Genauigkeit möglich. Daher kann unter Verwendung der Erfassungsvorrichtung 130 die Position der Stromempfangsspule mit höherer Genauigkeit erfasst werden.
Es sei angemerkt, dass die Struktur der Erfassungsvorrichtung 130 nicht auf diejenige beschränkt ist, die in 2(A) gezeigt wird.
Als Nächstes wird anhand von 3(A) und 3(B) ein Modifikationsbeispiel der Erfassungsvorrichtung 130 beschrieben.
3(A) zeigt eine Draufsicht, die ein Modifikationsbeispiel der Erfassungsvorrichtung 130 darstellt. Das in 3(A) gezeigte Modifikationsbeispiel der Erfassungsvorrichtung 130 beinhaltet ein kreisförmiges Substrat 135, kreisförmige Erfassungsspulen 131a, kreisförmige Erfassungsspulen 132a, kreisförmige Erfassungsspulen 131b und kreisförmige Erfassungsspulen 132b.
In dem Fall, in dem, wie in dem in 3(A) gezeigten Modifikationsbeispiel der Erfassungsvorrichtung 130, die Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130 eine Kreisform aufweisen, kann ein magnetisches Feld ohne Verzerrung gebildet werden, was vorzuziehen ist.
3(B) zeigt eine perspektivische Ansicht einer Erfassungsvorrichtung 136, die ein Modifikationsbeispiel der Erfassungsvorrichtung 130 ist. Die Erfassungsvorrichtung 136 beinhaltet eine Erfassungsvorrichtung 130a, ein Dielektrikum 138 und eine Erfassungsvorrichtung 130b. Bei der Erfassungsvorrichtung 136 werden die Erfassungsvorrichtung 130a und die Erfassungsvorrichtung 130b derart bereitgestellt, dass sie sich überlappen. Das Dielektrikum 138 wird derart bereitgestellt, dass es zwischen der Erfassungsvorrichtung 130a und der Erfassungsvorrichtung 130b liegt.
Die Erfassungsvorrichtung 130a und die Erfassungsvorrichtung 130b weisen jeweils die Struktur der Erfassungsvorrichtung 130, die in 2 gezeigt wird, auf.
Bei einer Struktur, bei der wie bei der Erfassungsvorrichtung 136 in 3(B) eine Vielzahl von Erfassungsvorrichtungen derart bereitgestellt ist, dass sie sich überlappen, kann eine magnetische Flussdichte dreidimensional erfasst werden, was vorzuziehen ist. Unter Verwendung der Erfassungsvorrichtung 136 wird dann beispielsweise, wenn sich die Stromempfangsvorrichtung 200, die die Stromempfangsspule 210 beinhaltet, der Stromversorgungsvorrichtung 100 annähert, der Abstand zwischen der Erfassungsvorrichtung 136 und der Stromempfangsspule 210 leichter erfasst, was vorzuziehen ist.
Das Vorstehende ist die ausführliche Beschreibung der Erfassungsspulen der Erfassungsvorrichtung 130.
Als Nächstes wird die Bewegungsvorrichtung 140 anhand von 4 ausführlich beschrieben.
4(A) zeigt eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Bewegungsvorrichtung 140 darstellt. 4(B) zeigt ferner ein anderes Beispiel für die Bewegungsvorrichtung 140.
Die Bewegungsvorrichtung 140 in 4(A) beinhaltet zwei Schienen 141, eine Schiene 142 und einen Spulenständer 143. Bei der Bewegungsvorrichtung 140 kann sich die Schiene 142 ruckelfrei auf den Schienen 141 bewegen. Der Spulenständer 143 kann sich auf der Schiene 142 ruckelfrei bewegen. Der Spulenständer 143 beinhaltet einen Reifen 144, der von einem elektronischen Motor angetrieben wird. An dem Spulenständer kann die Stromversorgungsspule 110 angebracht werden.
Bei einer derartigen Struktur kann die Bewegungsvorrichtung 140 die Stromversorgungsspule 110 horizontal bzw. in Richtung parallel mit dem Substrat und dergleichen der Erfassungsvorrichtung 130 bewegen.
Eine Bewegungsvorrichtung 140 in 4(B) beinhaltet zwei Schienen 141, zwei Schienen 142 und zwei Spulenständer 143. Bei einer derartigen Struktur kann die Bewegungsvorrichtung 140 eine Vielzahl der Stromversorgungsspulen 110 bewegen.
Das Vorstehende ist die ausführliche Beschreibung der Bewegungsvorrichtung 140. Es sei angemerkt, dass die Struktur der Bewegungsvorrichtung 140 nicht auf diejenige beschränkt ist, die in 4 gezeigt wird.
Als Nächstes wird ein Betriebsverfahren der Stromversorgungsvorrichtung 100 ausführlich beschrieben. 5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Stromzufuhrverfahren der Stromversorgungsvorrichtung 100 darstellt.
Zuerst wird die Stromempfangsvorrichtung 200 über die Stromversorgungsvorrichtung 100 gelegt, und der Betrieb der Stromversorgungsvorrichtung 100 startet (siehe 5 (T0)).
«Erster Schritt»
Bei dem ersten Schritt wird die optimale Position der Stromversorgungsspule bestimmt (siehe 5 (T1)). Wie vorstehend beschrieben, kann die optimale Position der Stromversorgungsspule 110 bestimmt werden, indem das Erfassungssignal, das von der Erfassungsvorrichtung 130 gesendet wird, bei der Steuervorrichtung 120 verarbeitet wird.
«Zweiter Schritt»
Bei dem zweiten Schritt wird die Stromversorgungsspule 110 bewegt (siehe 5 (T2)). Wie vorstehend beschrieben, weist die Bewegungsvorrichtung 140 die Funktion zum Bewegen der Stromversorgungsspule 110 auf.
«Dritter Schritt»
Bei dem dritten Schritt wird die Stromversorgung begonnen (siehe 5 (T3)). Wie vorstehend beschrieben, weist die Stromversorgungsspule 110 die Funktion zum Induzieren elektromotorischer Kraft auf.
«Vierter Schritt»
Bei dem vierten Schritt wird beurteilt, ob die Stromempfangsspule 210 bewegt worden ist (siehe 5 (T4)). Wenn beurteilt wird, dass die Stromempfangsspule 210 in eine Position bewegt worden ist, die sich von derjenigen bei dem Beginn der Stromversorgung unterscheidet, geht der Prozess zu dem fünften Schritt über, und wenn beurteilt wird, dass die Stromempfangsspule 210 nicht bewegt worden ist, geht der Prozess zu dem sechsten Schritt über.
Es sei angemerkt, dass angenommen wird, dass die Bewegung der Stromempfangsspule 210 beispielsweise durch eine Schwingung der Stromempfangsvorrichtung 200, die die Stromempfangsspule 210 beinhaltet, oder dergleichen verursacht wird.
«Fünfter Schritt»
Bei dem fünften Schritt wird bei der Stromversorgungsvorrichtung 100 die Stromversorgung unterbrochen, und dann geht der Prozess zu dem ersten Schritt über (siehe 5 (T5)). Dementsprechend kann eine unnötige Ausgabe des Stroms verhindert werden, selbst wenn während der Stromversorgung die Positionsbeziehung zwischen der Stromempfangsspule 210 und der Stromversorgungsspule 110 verändert wird.
Es sei angemerkt, dass der fünfte Schritt bei dem Betriebsverfahren der Stromversorgungsvorrichtung 100 nicht darauf beschränkt ist, dass die Stromversorgung unterbrochen wird. Beispielsweise kann die Ausgabe verringert werden und dann die Stromversorgung fortgesetzt werden, oder der Prozess kann von dem vierten Schritt ohne den fünften Schritt direkt zu dem ersten Schritt übergehen. Eine derartige Steuerung der Ausgabe der Stromversorgungsspule 110 kann mit dem Ausgabesteuersignal 123, das die Steuervorrichtung 120 an die Wechselstromquelle 111 sendet, durchgeführt werden.
«Sechster Schritt»
Wenn bei dem sechsten Schritt die Wechselstromquelle 111 ein Endsignal empfängt, wird die Stromversorgung beendet, und wenn die Wechselstromquelle 111 kein Endsignal empfängt, geht der Prozess zu dem vierten Schritt über (siehe 5 (T6)).
Das Endsignal wird von der Steuervorrichtung 120 gesendet, wenn beispielsweise die Stromempfangsvorrichtung 200 von der Stromversorgungsvorrichtung entfernt worden ist oder wenn die Stromspeichervorrichtung 220 der Stromempfangsvorrichtung 200 vollständig geladen worden ist.
Das Vorstehende ist das Stromversorgungsverfahren der Stromversorgungsvorrichtung 100.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer Beschreibung der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
(Ausführungsform 2)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Konfigurationsbeispiel beschrieben, in dem bei dem kontaktfreien Stromversorgungssystem, das bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden ist, eine künstliche Intelligenz (KI bzw. Artificial Intelligence, AI) eingesetzt wird.
Es sei angemerkt, dass eine künstliche Intelligenz eine allgemeine Bezeichnung für Computer ist, die die menschliche Intelligenz nachahmen. In dieser Beschreibung und dergleichen umfasst eine künstliche Intelligenz ein künstliches neuronales Netz (Artificial Neural Network, ANN). Das künstliche neuronale Netz ist eine Schaltung, die ein neuronales Netz nachahmt, das aus Neuronen und Synapsen besteht. In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet ein Begriff „neuronales Netz“ insbesondere das künstliche neuronale Netz.
<Konfigurationsbeispiel der Steuerschaltung>
6 zeigt ein Konfigurationsbeispiel der Steuervorrichtung 120.
Die Steuervorrichtung 120 in 6 beinhaltet eine Positionssteuerschaltung 122 und eine Ausgabesteuerschaltung 124.
Die Positionssteuerschaltung 122 und die Ausgabesteuerschaltung 124 weisen jeweils eine Funktion auf, mit dem von der Erfassungsvorrichtung 130 gesendeten Erfassungssignal versorgt zu werden. Die Positionssteuerschaltung 122 weist eine Funktion zum Senden des Positionssteuersignals 121 auf. Die Positionssteuerschaltung 122 beinhaltet ein neuronales Netz NN. Die Ausgabesteuerschaltung 124 weist eine Funktion zum Senden des Ausgabesteuersignals 123 auf.
Das neuronale Netz NN beinhaltet eine Eingabeschicht IL, eine Ausgabeschicht OL und eine versteckte Schicht (Mittelschicht) HL. In die Eingabeschicht IL werden Erfassungsdaten eingegeben, die durch die Erfassungsvorrichtung 130 erhalten werden.
Die Ausgabeschicht OL, die Eingabeschicht IL und die versteckte Schicht HL beinhalten jeweils eine Einheit oder eine Vielzahl von Einheiten (Neuronenschaltungen), und die Ausgabe jeder Einheiten wird mit Gewichtungen (Verbindungsstärke) den Einheiten zugeführt, die in unterschiedlichen Schichten bereitgestellt sind. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der Einheiten in jeder Schicht beliebig eingestellt werden kann. Ferner kann das neuronale Netz NN ein Netz sein, das eine Vielzahl von versteckten Schichten HL beinhaltet (tiefes neuronales Netz bzw. deep neural network, DNN). Das Lernen in dem tiefen neuronalen Netz wird in einigen Fällen als „tiefgehendes Lernen“ bzw. „Deep Learning“ bezeichnet.
Das neuronale Netz NN ist durch Lernen mit einer Funktion zum Bestimmen der optimalen Position der Stromversorgungsspule 110 auf Basis der Erfassungsdaten ausgestattet. Wenn Daten, die den Erfassungsdaten entsprechen, in die Eingabeschicht des neuronalen Netzes NN eingegeben werden, wird eine arithmetische Verarbeitung in jeder Schicht durchgeführt. Die arithmetische Verarbeitung in jeder Schicht wird beispielsweise durch eine Produkt-Summen-Operation der Ausgabe der Einheiten der vorherigen Schicht und der Gewichtungskoeffizienten durchgeführt. Es sei angemerkt, dass eine Verbindung zwischen den Schichten eine vollständige Verbindung, bei der sämtliche Einheiten miteinander verbunden sind, oder eine Teilverbindung sein kann, bei der einige der Einheiten miteinander verbunden sind. Die Daten, die dem Bestimmungsergebnis der optimalen Position der Stromversorgungsspule 110 entsprechen, werden von der Ausgabeschicht OL ausgegeben.
Wenn das neuronale Netz NN auf diese Weise für die Positionssteuerschaltung 122 verwendet wird, kann die optimale Position der Stromversorgungsspule 110 auf Basis des Erfassungssignals leichter mit höherer Genauigkeit bestimmt werden.
<Konfigurationsbeispiele des neuronalen Netzes>
Als Nächstes werden spezifischere Konfigurationsbeispiele des neuronalen Netzes NN beschrieben. 7 stellt Konfigurationsbeispiele des neuronalen Netzes dar. Das neuronale Netz beinhaltet Neuronenschaltungen NC und Synapsenschaltungen SC, die zwischen den Neuronenschaltungen NC bereitgestellt sind.
7(A) stellt ein Konfigurationsbeispiel der Neuronenschaltung NC und der Synapsenschaltung SC dar. Eingabedaten x₁ bis x_L (L ist eine natürliche Zahl) werden in die Synapsenschaltungen SC eingegeben. Außerdem weisen die Synapsenschaltungen SC jeweils eine Funktion zum Speichern eines Gewichtungskoeffizienten w_k auf (k ist eine ganze Zahl von größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich L). Der Gewichtungskoeffizient w_k entspricht der Verbindungsstärke zwischen den Neuronenschaltungen NC.
Wenn die Eingabedaten x₁ bis x_L in die Synapsenschaltungen SC eingegeben werden, wird die Summe der Produkte (x_k w_k ) für k=1 bis L (x₁w₁+x₂w₂+...+x_Lw_L) aus Eingabedaten x_k , die in die Synapsenschaltung SC eingegeben werden, und dem Gewichtungskoeffizienten w_k , der in der Synapsenschaltung SC gespeichert ist, d. h. ein Wert, der durch die Produkt-Summen-Operation von x_k und w_k erhalten wird, der Neuronenschaltung NC zugeführt. Wenn der Wert größer ist als der Schwellenwert θ der Neuronenschaltung NC, gibt die Neuronenschaltung NC ein Signal mit hohem Pegel aus. Dieses Phänomen wird als Feuern der Neuronenschaltung NC bezeichnet.
7(B) zeigt ein Modell eines hierarchischen neuronalen Netzes, bei dem die Neuronenschaltungen NC und die Synapsenschaltungen SC verwendet werden. Das neuronale Netz beinhaltet die Eingabeschicht IL, die versteckte Schicht HL und die Ausgabeschicht OL. Die Eingabeschicht IL beinhaltet Eingangs-Neuronenschaltungen IN. Die versteckte Schicht HL beinhaltet versteckte Synapsenschaltungen HS und versteckte Neuronenschaltungen HN. Die Ausgabeschicht OL beinhaltet Ausgangs-Synapsenschaltungen OS und Ausgangs-Neuronenschaltungen ON. Die Schwellenwerte θ der Eingangs-Neuronenschaltung IN, der versteckten Neuronenschaltung HN und der Ausgangs-Neuronenschaltung ON werden als θ_I , θ_H bzw. θ_O bezeichnet.
Der Eingabeschicht IL werden Daten x₁ bis x_i (i ist eine natürliche Zahl) zugeführt, die den Erfassungsdaten entsprechen, und der versteckten Schicht HL wird eine Ausgabe der Eingabeschicht IL zugeführt. Dann wird den versteckten Neuronenschaltungen HN ein Wert zugeführt, der durch die Produkt-Summen-Operation unter Verwendung der Daten, die von der Eingabeschicht IL ausgegeben werden, und der Gewichtungskoeffizienten w, die in den versteckten Synapsenschaltungen HS gehalten werden, erhalten wird. Den Ausgangs-Neuronenschaltungen ON wird ein Wert zugeführt, der durch die Produkt-Summen-Operation unter Verwendung der Ausgabe der versteckten Neuronenschaltung HN und der Gewichtungskoeffizienten w, die in den Ausgangs-Synapsenschaltungen OS gehalten werden, erhalten wird. Dann werden Daten y, die der optimalen Position der Stromversorgungsspule 110 entsprechen, ausgegeben.
Auf diese Weise weist das neuronale Netz, das in 7(B) gezeigt wird, eine Funktion zum Bestimmen der optimalen Position der Stromversorgungsspule 110 auf Basis der Erfassungsdaten auf.
Für das Lernen in dem neuronalen Netz kann ein Gradientenabstiegsverfahren oder dergleichen verwendet werden, und für die Berechnung eines Gradienten kann ein Backpropagation-Verfahren bzw. Fehlerrückführungsverfahren verwendet werden. 7(C) zeigt ein Modell des neuronalen Netzes, das unter Verwendung eines Backpropagation-Verfahrens überwachtes Lernen durchführt.
Ein Backpropagation-Verfahren ist eines der Verfahren zum Ändern eines Gewichtungskoeffizienten einer Synapsenschaltung, so dass die Abweichung zwischen Ausgabedaten von einem neuronalen Netz und Lehrerdaten verringert wird. Insbesondere wird ein Gewichtungskoeffizient w der versteckten Synapsenschaltung HS entsprechend einer Abweichung δ_O geändert, die auf Basis der Ausgabedaten (Daten y) und der Lehrerdaten (Daten t) bestimmt wird. Außerdem wird ein Gewichtungskoeffizient w einer Synapsenschaltung SC der vorherigen Stufe entsprechend dem Betrag der Änderung des Gewichtungskoeffizienten w der versteckten Synapsenschaltung HS geändert. Auf diese Weise werden Gewichtungskoeffizienten der Synapsenschaltungen SC auf Basis der Lehrerdaten sequentiell geändert, so dass das neuronale Netz NN das Lernen durchführen kann.
Es sei angemerkt, dass die Anzahl der versteckten Schichten HL in 7(B) und 7(C) jeweils eins ist; jedoch kann sie auch zwei oder mehr sein. Somit kann tiefgehendes Lernen durchgeführt werden.
Diese Ausführungsform kann je nach Bedarf mit einer der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
(Ausführungsform 3)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Konfigurationsbeispiel einer Halbleitervorrichtung, die bei dem bei der Ausführungsform 2 beschriebenen neuronalen Netz eingesetzt werden kann, beschrieben.
In dem Fall, in dem das neutonale Netz Hardware umfasst, kann die Produkt-Summen-Operation bei dem neuronalen Netz unter Verwendung eines Produkt-Summen-Operation-Elements durchgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform wird ein Konfigurationsbeispiel einer Halbleitervorrichtung beschrieben, die als Produkt-Summen-Operation-Element bei dem neuronalen Netz NN verwendet werden kann.
<Konfigurationsbeispiel einer Halbleitervorrichtung>
8 stellt ein Konfigurationsbeispiel einer Halbleitervorrichtung 500 dar. Die Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, beinhaltet eine Speicherschaltung 510 (MEM), eine Referenzspeicherschaltung 520 (RMEM), eine Schaltung 530 und eine Schaltung 540. Die Halbleitervorrichtung 500 kann ferner eine Stromquellenschaltung 550 (CREF) beinhalten.
Die Speicherschaltung 510 (MEM) beinhaltet eine Speicherzelle MC, wie z. B. eine Speicherzelle MC[p, q] und eine Speicherzelle MC[p+1, q]. Die Speicherzelle MC beinhaltet ein Element, das eine Funktion zum Umwandeln eines eingegebenen Potentials in Strom aufweist. Als Element mit einer derartigen Funktion kann beispielsweise ein aktives Element, wie z. B. ein Transistor, verwendet werden. 8 stellt ein Beispiel dar, in dem die Speicherzelle MC einen Transistor Tr11 beinhaltet.
Ein erstes analoges Potential wird in die Speicherzelle MC über eine Leitung WD, wie z. B. eine Leitung WD[q], eingegeben. Das erste analoge Potential entspricht ersten analogen Daten. Die Speicherzelle MC weist eine Funktion zum Erzeugen eines ersten analogen Stroms auf, der dem ersten analogen Potential entspricht. Insbesondere kann ein Drainstrom des Transistors Tr11, der erhalten wird, wenn das erste analoge Potential einem Gate des Transistors Tr11 zugeführt wird, als erster analoger Strom verwendet werden. Es sei angemerkt, dass nachfolgend ein Strom, der in die Speicherzelle MC[p, q] fließt, als I[p, q] bezeichnet wird und dass ein Strom, der in die Speicherzelle MC[p+1, q] fließt, als I[p+1, q] bezeichnet wird.
Es sei angemerkt, dass der Drainstrom des Transistors Tr11, der in einem Sättigungsbereich arbeitet, nicht von einer Spannung zwischen einer Source und einem Drain abhängt und durch die Differenz zwischen seiner Gate-Spannung und Schwellenspannung gesteuert wird. Daher arbeitet der Transistor Tr11 vorzugsweise in einem Sättigungsbereich. Damit der Transistor Tr11 in einem Sättigungsbereich arbeiten kann, werden die Gate-Spannung und die Spannung zwischen der Source und dem Drain des Transistors Tr11 jeweils angemessen auf eine Spannung eingestellt, bei der der Transistor Tr11 in einem Sättigungsbereich arbeitet.
Insbesondere wird in der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, ein erstes analoges Potential Vx[p, q] oder ein Potential, das dem ersten analogen Potential Vx[p, q] entspricht, in die Speicherzelle MC[p, q] über die Leitung WD[q] eingegeben. Die Speicherzelle MC[p, q] weist eine Funktion zum Erzeugen eines ersten analogen Stroms auf, der dem ersten analogen Potential Vx[p, q] entspricht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall der Strom I[p, q], der in der Speicherzelle MC[p, q] fließt, dem ersten analogen Strom entspricht.
Des Weiteren wird insbesondere in der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, ein erstes analoges Potential Vx[p+1, q] oder ein Potential, das dem ersten analogen Potential Vx[p+1, q] entspricht, in die Speicherzelle MC[p+1, q] über die Leitung WD[q] eingegeben. Die Speicherzelle MC[p+1, q] weist eine Funktion zum Erzeugen eines ersten analogen Stroms auf, der dem ersten analogen Potential Vx[p+1, q] entspricht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall der Strom I[p+1, q], der in der Speicherzelle MC[p+1, q] fließt, dem ersten analogen Strom entspricht.
Die Speicherzelle MC weist eine Funktion zum Halten des ersten analogen Potentials auf. Mit anderen Worten: Die Speicherzelle MC weist eine Funktion zum Halten des ersten analogen Stroms auf, der dem ersten analogen Potential entspricht, indem sie das erste analoge Potential hält.
Außerdem wird ein zweites analoges Potential in die Speicherzelle MC über eine Leitung RW, wie z. B. eine Leitung RW[p] und eine Leitung RW[p+1], eingegeben. Das zweite analoge Potential entspricht zweiten analogen Daten. Die Speicherzelle MC weist eine Funktion zum Addieren des zweiten analogen Potentials oder eines Potentials, das dem zweiten analogen Potential entspricht, zu dem ersten analogen Potential, das gehalten wird, und eine Funktion zum Halten eines dritten analogen Potentials auf, das durch die Addition erhalten wird. Die Speicherzelle MC weist auch eine Funktion zum Erzeugen eines zweiten analogen Stroms auf, der dem dritten analogen Potential entspricht. Mit anderen Worten: Die Speicherzelle MC weist eine Funktion zum Halten des zweiten analogen Stroms auf, der dem dritten analogen Potential entspricht, indem sie das dritte Potential hält.
Insbesondere wird in der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, ein zweites analoges Potential Vw[p, q] in die Speicherzelle MC[p, q] über die Leitung RW[p] eingegeben. Die Speicherzelle MC[p, q] weist eine Funktion zum Halten eines dritten analogen Potentials auf, das dem ersten analogen Potential Vx[p, q] und dem zweiten analogen Potential Vw[p, q] entspricht. Die Speicherzelle MC[p, q] weist auch eine Funktion zum Erzeugen eines zweiten analogen Stroms auf, der dem dritten analogen Potential entspricht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall der Strom I[p, q], der in der Speicherzelle MC[p, q] fließt, dem zweiten analogen Strom entspricht.
Ferner wird in der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, ein zweites analoges Potential Vw[p+1, q] in die Speicherzelle MC[p+1, q] über die Leitung RW[p+1] eingegeben. Die Speicherzelle MC[p+1, q] weist eine Funktion zum Halten eines dritten analogen Potentials auf, das dem ersten analogen Potential Vx[p+1, q] und dem zweiten analogen Potential Vw[p+1, q] entspricht. Die Speicherzelle MC[p+1, q] weist auch eine Funktion zum Erzeugen eines zweiten analogen Stroms auf, der dem dritten analogen Potential entspricht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall der Strom I[p+1, q], der in der Speicherzelle MC[p+1, q] fließt, dem zweiten analogen Strom entspricht.
Der Strom I[p, q] fließt zwischen einer Leitung BL[q] und einer Leitung VR[q] über die Speicherzelle MC[p, q]. Der Strom I[p+1, q] fließt zwischen der Leitung BL[q] und der Leitung VR[q] über die Speicherzelle MC[p+1, q]. Dementsprechend fließt ein Strom I[q], der der Summe des Stroms I[p, q] und des Stroms I[p+1, q] entspricht, zwischen der Leitung BL[q] und der Leitung VR[q] über die Speicherzelle MC[p, q] und die Speicherzelle MC[p+1, q].
Die Referenzspeicherschaltung 520 (RMEM) beinhaltet eine Speicherzelle MCR, wie z. B. eine Speicherzelle MCR[p] und eine Speicherzelle MCR[p+1]. Es sei angemerkt, dass ein erstes Referenzpotential VPR in die Speicherzelle MCR über eine Leitung WDREF eingegeben wird. Die Speicherzelle MCR weist eine Funktion zum Erzeugen eines ersten Referenzstroms auf, der dem ersten Referenzpotential VPR entspricht. Nachfolgend wird ein Strom, der in der Speicherzelle MCR[p] fließt, als IREF[p] bezeichnet und wird ein Strom, der in der Speicherzelle MCR[p+1] fließt, als IREF[p+1] bezeichnet.
Insbesondere wird in der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, das erste Referenzpotential VPR in die Speicherzelle MCR[p] über die Leitung WDREF eingegeben. Die Speicherzelle MCR[p] weist eine Funktion zum Erzeugen des ersten Referenzstroms auf, der dem ersten Referenzpotential VPR entspricht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall der Strom IREF[p], der in der Speicherzelle MCR[p] fließt, dem ersten Referenzstrom entspricht.
Ferner wird in der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, das erste Referenzpotential VPR in die Speicherzelle MCR[p+1] über die Leitung WDREF eingegeben. Die Speicherzelle MCR[p+1] weist eine Funktion zum Erzeugen des ersten Referenzstroms auf, der dem ersten Referenzpotential VPR entspricht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall der Strom IREF[p+1], der in der Speicherzelle MCR[p+1] fließt, dem ersten Referenzstrom entspricht.
Die Speicherzelle MCR weist eine Funktion zum Halten des ersten Referenzpotentials VPR auf. Mit anderen Worten: Die Speicherzelle MCR weist eine Funktion zum Halten des ersten Referenzstroms auf, der dem ersten Referenzpotential VPR entspricht, indem sie das erste Referenzpotential VPR hält.
Außerdem wird das zweite analoge Potential in die Speicherzelle MCR über die Leitung RW, wie z. B. die Leitung RW[p] und die Leitung RW[p+1], eingegeben. Die Speicherzelle MCR weist eine Funktion zum Addieren des zweiten analogen Potentials oder eines Potentials, das dem zweiten analogen Potential entspricht, zu dem ersten Referenzpotential VPR auf, das gehalten wird, und eine Funktion zum Halten eines zweiten Referenzpotentials, das durch die Addition erhalten wird. Die Speicherzelle MCR weist auch eine Funktion zum Erzeugen eines zweiten Referenzstroms auf, der dem zweiten Referenzpotential entspricht. Mit anderen Worten: Die Speicherzelle MCR weist eine Funktion zum Halten des zweiten Referenzstroms auf, der dem zweiten Referenzpotential entspricht, indem das zweite Referenzpotential gehalten wird.
Insbesondere wird in der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, das zweite analoge Potential Vw[p, q] in die Speicherzelle MCR[p] über die Leitung RW[p] eingegeben. Die Speicherzelle MCR[p] weist eine Funktion zum Halten eines zweiten Referenzpotentials auf, das dem ersten Referenzpotential VPR und dem zweiten analogen Potential Vw[p, q] entspricht. Die Speicherzelle MCR[p] weist auch eine Funktion zum Erzeugen des zweiten Referenzstroms auf, der dem zweiten Referenzpotential entspricht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall der Strom IREF[p], der in der Speicherzelle MCR[p] fließt, dem zweiten Referenzstrom entspricht.
Des Weiteren wird in der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, das zweite analoge Potential Vw[p+1, q] in die Speicherzelle MCR[p+1] über die Leitung RW[p+1] eingegeben. Die Speicherzelle MCR[p+1] weist eine Funktion zum Halten eines zweiten Referenzpotentials auf, das dem ersten Referenzpotential VPR und dem zweiten analogen Potential Vw[p+1, q] entspricht. Die Speicherzelle MCR[p+1] weist auch eine Funktion zum Erzeugen des zweiten Referenzstroms auf, der dem zweiten Referenzpotential entspricht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall der Strom IREF[p+1], der in der Speicherzelle MCR[p+1] fließt, dem zweiten Referenzstrom entspricht.
Der Strom IREF[p] fließt zwischen einer Leitung BLREF und einer Leitung VRREF über die Speicherzelle MCR[p]. Der Strom IREF[p+1] fließt zwischen der Leitung BLREF und der Leitung VRREF über die Speicherzelle MCR[p+1]. Dementsprechend fließt ein Strom IREF, der der Summe des Stroms IREF[p] und des Stroms IREF[p+1] entspricht, zwischen der Leitung BLREF und der Leitung VRREF über die Speicherzelle MCR[p] und die Speicherzelle MCR[p+1].
Die Stromquellenschaltung 550 weist eine Funktion zum Zuführen des Stroms mit dem gleichen Wert wie der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, oder zum Zuführen des Stroms, der dem Strom IREF entspricht, zu der Leitung BL auf. In dem Fall, in dem sich der Strom I[q], der zwischen der Leitung BL[q] und der Leitung VR[q] über die Speicherzelle MC[p, q] und die Speicherzelle MC[p+1, q] fließt, von dem Strom IREF, der zwischen der Leitung BLREF und der Leitung VRREF über die Speicherzelle MCR[p] und die Speicherzelle MCR[p+1] fließt, unterscheidet, fließt ein Strom, der der Differenz entspricht, in der Schaltung 530 oder der Schaltung 540, wodurch Offset-Strom, wie nachstehend beschrieben, eingestellt wird. Die Schaltung 530 dient als Stromquellenschaltung und die Schaltung 540 dient als Stromsenkenschaltung.
Insbesondere weist in dem Fall, in dem der Strom I[q] höher ist als der Strom IREF, die Schaltung 530 eine Funktion zum Erzeugen eines Stroms ΔI[q] auf, der der Differenz zwischen dem Strom I[q] und dem Strom IREF entspricht. Die Schaltung 530 weist auch eine Funktion zum Zuführen des erzeugten Stroms ΔI[q] zu der Leitung BL[q] auf. Dies bedeutet, dass die Schaltung 530 eine Funktion zum Halten des Stroms ΔI[q] aufweist.
In dem Fall, in dem der Strom I[q] niedriger ist als der Strom IREF, weist die Schaltung 540 eine Funktion zum Erzeugen des Stroms ΔI[q] auf, der der Differenz zwischen dem Strom I[q] und dem Strom IREF entspricht. Die Schaltung 540 weist auch eine Funktion zum Aufnehmen des erzeugten Stroms ΔI[q] aus der Leitung BL[q] auf. Dies bedeutet, dass die Schaltung 540 eine Funktion zum Halten des Stroms ΔI[q] aufweist.
Als Nächstes wird ein Beispiel für die Arbeitsweise der Halbleitervorrichtung 500, die in 8 dargestellt ist, beschrieben.
Zuerst wird ein Potential, das dem ersten analogen Potential entspricht, in der Speicherzelle MC[p, q] gespeichert. Insbesondere wird ein Potential VPR-Vx[p, q], das erhalten wird, indem das erste analoge Potential Vx[p, q] von dem ersten Referenzpotential VPR subtrahiert wird, in die Speicherzelle MC[p, q] über die Leitung WD[q] eingegeben. Die Speicherzelle MC[p, q] hält das Potential VPR-Vx[p, q]. Außerdem erzeugt die Speicherzelle MC[p, q] den Strom I[p, q], der dem Potential VPR-Vx[p, q] entspricht. Das erste Referenzpotential VPR ist beispielsweise ein Potential mit hohem Pegel, das höher ist als ein Erdpotential. Insbesondere ist das erste Referenzpotential VPR vorzugsweise höher als ein Erdpotential und genauso hoch wie oder niedriger als ein Potential VDD mit hohem Pegel, das der Stromquellenschaltung 550 zugeführt wird.
Des Weiteren wird das erste Referenzpotential VPR in der Speicherzelle MCR[p] gespeichert. Insbesondere wird das erste Referenzpotential VPR in die Speicherzelle MCR[p] über die Leitung WDREF eingegeben. Die Speicherzelle MCR[p] hält das erste Referenzpotential VPR. Außerdem erzeugt die Speicherzelle MCR[p] den Strom IREF[p], der dem ersten Referenzpotential VPR entspricht.
Zuerst wird ein Potential, das dem ersten analogen Potential entspricht, in der Speicherzelle MC[p+1, q] gespeichert. Insbesondere wird ein Potential VPR-Vx[p+1, q], das erhalten wird, indem das erste analoge Potential Vx[p+1, q] von dem ersten Referenzpotential VPR subtrahiert wird, in die Speicherzelle MC[p+1, q] über die Leitung WD[q] eingegeben. Die Speicherzelle MC[p+1, q] hält das Potential VPR-Vx[p+1, q]. Außerdem erzeugt die Speicherzelle MC[p+1, q] den Strom I[p+1, q], der dem Potential VPR-Vx[p+1, q] entspricht.
Des Weiteren wird das erste Referenzpotential VPR in der Speicherzelle MCR[p+1] gespeichert. Insbesondere wird das erste Referenzpotential VPR in die Speicherzelle MCR[p+1] über die Leitung WDREF eingegeben. Die Speicherzelle MCR[p+1] hält das erste Referenzpotential VPR. Außerdem erzeugt die Speicherzelle MCR[p+1] den Strom IREF[p+1], der dem ersten Referenzpotential VPR entspricht.
Während des vorstehenden Vorgangs sind die Leitung RW[p] und die Leitung RW[p+1] jeweils auf ein Basispotential eingestellt. Als Basispotential kann beispielsweise ein Erdpotential oder ein Potential VSS mit niedrigem Pegel, das niedriger ist als ein Erdpotential, verwendet werden. Alternativ kann ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD als Basispotential verwendet werden. Dies ist vorzuziehen, da das Potential der Leitung RW unabhängig davon, ob das zweite analoge Potential Vw positiv oder negativ ist, höher sein kann als ein Erdpotential, was eine leichte Erzeugung von Signalen sowie die Multiplikation von positiven oder negativen analogen Daten ermöglicht.
Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs fließt ein Strom, der der Summe von Strömen entspricht, die in den Speicherzellen MC erzeugt werden, die mit der Leitung BL[q] verbunden sind, durch die Leitung BL[q]. Insbesondere fließt in 8 der Strom I[q], der die Summe des Stroms I[p, q], der in der Speicherzelle MC[p, q] erzeugt wird, und des Stroms I[p+1, q] ist, der in der Speicherzelle MC[p+1, q] erzeugt wird. Außerdem fließt als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs ein Strom, der der Summe von Strömen entspricht, die in den Speicherzellen MCR erzeugt werden, die mit der Leitung BLREF verbunden sind, durch die Leitung BLREF. Insbesondere fließt in 8 der Strom IREF, der die Summe des Stroms IREF[p], der in der Speicherzelle MCR[p] erzeugt wird, und des Stroms IREF[p+1] ist, der in der Speicherzelle MCR[p+1] erzeugt wird.
Als Nächstes wird ein Offset-Strom loffset[q], der die Differenz zwischen dem Strom I[q], der erhalten wird, indem das erste analoge Potential eingegeben wird, und dem Strom IREF ist, der erhalten wird, indem das erste Referenzpotential eingegeben wird, in der Schaltung 530 oder der Schaltung 540 gehalten, während die Leitung RW[p] und die Leitung RW[p+1] auf Basispotentialen gehalten werden.
Insbesondere führt dann, wenn der Strom I[q] höher ist als der Strom IREF, der Leitung BL[q] die Schaltung 530 den Strom loffset[q] zu. Dies bedeutet, dass ein Strom ICM[q], der in der Schaltung 530 fließt, dem Strom loffset[q] entspricht. Der Wert des Stroms ICM[q] wird in der Schaltung 530 gehalten. Wenn der Strom I[q] niedriger ist als der Strom IREF, nimmt die Schaltung 540 den Strom loffset[q] aus der Leitung BL[q] auf. Dies bedeutet, dass ein Strom ICP[q], der in der Schaltung 540 fließt, dem Strom loffset[q] entspricht. Der Wert des Stroms ICP[q] wird in der Schaltung 540 gehalten.
Dann wird das zweite analoge Potential oder ein Potential, das dem zweiten analogen Potential entspricht, in der Speicherzelle MC[p, q] derart gespeichert, dass es zu dem ersten analogen Potential oder einem Potential, das dem ersten analogen Potential entspricht, addiert wird, das in der Speicherzelle MC[p, q] gehalten wird. Insbesondere wird dann, wenn das Potential der Leitung RW[p] auf ein Potential eingestellt wird, das um Vw[p] höher ist als ein Basispotential, ein zweites analoges Potential Vw[p] in die Speicherzelle MC[p, q] über die Leitung RW[p] eingegeben. Die Speicherzelle MC[p, q] hält ein Potential VPR-Vx[p, q]+Vw[p]. Außerdem erzeugt die Speicherzelle MC[p, q] den Strom I[p, q], der dem Potential VPR-Vx[p, q]+Vw[p] entspricht.
Außerdem wird das zweite analoge Potential oder das Potential, das dem zweiten analogen Potential entspricht, in der Speicherzelle MC[p+1, q] derart gespeichert, dass es zu dem ersten analogen Potential oder einem Potential, das dem ersten analogen Potential entspricht, addiert wird, das in der Speicherzelle MC[p+1, q] gehalten wird. Insbesondere wird dann, wenn das Potential der Leitung RW[p+1] auf ein Potential eingestellt wird, das um Vw[p+1] höher ist als ein Basispotential, ein zweites analoges Potential Vw[p+1] in die Speicherzelle MC[p+1, q] über die Leitung RW[p+1] eingegeben. Die Speicherzelle MC[p+1, q] hält ein Potential VPR-Vx[p+1, q]+Vw[p+1]. Außerdem erzeugt die Speicherzelle MC[p+1, q] den Strom I[p+1, q], der dem Potential VPR-Vx[p+1, q]+Vw[p+1] entspricht.
In dem Fall, in dem der Transistor Tr11, der in einem Sättigungsbereich arbeitet, als Element zum Umwandeln eines Potentials in Strom verwendet wird, wird der zweite analoge Strom durch die nachstehende Formel 1 dargestellt, da der Drainstrom des Transistors Tr11, der in der Speicherzelle MC[p, q] enthalten ist, unter der Annahme, dass Vw[p] das Potential der Leitung RW[p] ist und dass Vw[p+1] das Potential der Leitung RW[p+1] ist, dem Strom I[p, q] entspricht. Es sei angemerkt, dass k ein Koeffizient ist und Vth die Schwellenspannung des Transistors Tr11 ist.
$I [p, q] = k {(Vw [p] - Vth + VPR - Vx [p, q])}^{2}$
Des Weiteren wird der zweite Referenzstrom durch die nachstehende Formel 2 dargestellt, da der Drainstrom des Transistors Tr11, der in der Speicherzelle MCR[p] enthalten ist, dem Strom IREF[p] entspricht.
$IREF [p] = k {(Vw [p] - Vth + VPR)}^{2}$
Der Strom I[q], der der Summe des Stroms I[p, q], der in der Speicherzelle MC[p, q] fließt, und des Stroms I[p+1, q] entspricht, der in der Speicherzelle MC[p+1, q] fließt, kann als I[q] = ∑il[p, q] dargestellt werden. Der Strom IREF, der der Summe des Stroms IREF[p], der in der Speicherzelle MCR[p] fließt, und des Stroms IREF[p+1] entspricht, der in der Speicherzelle MCR[p+1] fließt, kann als IREF = ∑iIREF[p] dargestellt werden. Dementsprechend wird der Strom ΔI[q], der der Differenz zwischen dem Strom I[q] und dem Strom IREF entspricht, durch die nachstehende Formel 3 dargestellt.
$ΔΙ [q] = IREF - I [q] = \sum i IREF [p] - \sum i I [p, q]$
Der Strom ΔI[q] kann, wie durch die nachstehende Formel 4 dargestellt, aus der Formel 1, der Formel 2 und der Formel 3 erhalten werden.
$\begin{array}{l} ΔΙ [q] \\ = \sum i {k {(Vw [p] - Vth+VPR)}^{2} - k {(Vw [p] - Vth + VPR - Vx [p, q])}^{2}} \\ = 2 k \sum i (Vw [p] \cdot Vx [p, q]) - 2 k \sum i (Vth - VPR) \cdot Vx [p, q] - k \sum i Vx {[p, q]}^{2} \end{array}$
Der Term 2k∑i(Vw[p]·Vx[p, q]) in Formel 4 entspricht der Summe des Produkts des ersten analogen Potentials Vx[p, q] und des zweiten analogen Potentials Vw[p] und des Produkts des ersten analogen Potentials Vx[p+1, q] und des zweiten analogen Potentials Vw[p+1].
Des Weiteren kann dann, wenn der Strom loffset[q] als Strom ΔI[q] zu dem Zeitpunkt, zu dem sämtliche Potentiale der Leitung RW[p] auf ein Basispotential eingestellt werden, definiert wird, d. h. wenn sowohl das zweite analoge Potential Vw[p] als auch das zweite analoge Potential Vw[p+1] bei 0 liegen, die nachstehende Formel 5 aus der Formel 4 erhalten werden.
$Ioffset [q] = - 2 k \sum i (Vth - VPR) \cdot Vx [p, q] - k \sum i Vx {[p, q]}^{2}$
Aus den Formeln 3 bis 5 ist daher herausgefunden worden, dass 2k∑i(Vw[p]·Vx[p, q]), der der Produkt-Summe der ersten analogen Daten und der zweiten analogen Daten entspricht, durch die nachstehende Formel 6 dargestellt wird.
$2 k \sum i (Vw [p] \cdot Vx [p, q]) = IREF - I [q] - Ioffset [q]$
Wenn das Potential der Leitung RW[p] bei Vw[p] liegt und das Potential der Leitung RW[p+1] bei Vw[p+1] liegt, wird ein Strom lout[q], der aus der Leitung BL[q] fließt, durch IREF-I[q]-Ioffset[q] dargestellt, bei dem I[q] die Summe von Strömen ist, die in den Speicherzellen MC fließen, IREF die Summe von Strömen ist, die in den Speicherzellen MCR fließen, und loffset[q] der Strom ist, der in der Schaltung 530 oder der Schaltung 540 fließt. Gemäß der Formel 6 gleicht der Strom lout[q] 2k∑i(Vw[p]·Vx[p, q]), der der Summe des Produkts des ersten analogen Potentials Vx[p, q] und des zweiten analogen Potentials Vw[p] und des Produkts des ersten analogen Potentials Vx[p+1, q] und des zweiten analogen Potentials Vw[p+1] entspricht.
Der Transistor Tr11 arbeitet vorzugsweise in einem Sättigungsbereich. Jedoch wird selbst dann, wenn der Arbeitsbereich des Transistors Tr11 von einem idealen Sättigungsbereich abweicht, der Transistor Tr11 als in einem Sättigungsbereich arbeitend angesehen, solange ein Strom, der der Summe des Produkts des ersten analogen Potentials Vx[p, q] und des zweiten analogen Potentials Vw[p] und des Produkts des ersten analogen Potentials Vx[p+1, q] und des zweiten analogen Potentials Vw[p+1] entspricht, problemlos mit einer Genauigkeit innerhalb eines gewünschten Bereichs erhalten werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können analoge Daten arithmetischer Verarbeitung unterzogen werden, ohne dabei in digitale Daten umgewandelt zu werden; daher kann die Schaltungsgröße einer Halbleitervorrichtung verringert werden. Alternativ kann die Zeit, die für die arithmetische Verarbeitung von analogen Daten erforderlich ist, verkürzt werden, da gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung analoge Daten arithmetischer Verarbeitung unterzogen werden können, ohne dabei in digitale Daten umgewandelt zu werden. Alternativ kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Stromverbrauch einer Halbleitervorrichtung verringert werden, während die Zeit, die für arithmetische Verarbeitungen von analogen Daten erforderlich ist, verkürzt wird.
<Konfigurationsbeispiel der Speicherschaltung>
Als Nächstes wird ein spezifisches Konfigurationsbeispiel der Speicherschaltung 510 (MEM) und der Referenzspeicherschaltung 520 (RMEM) anhand von 9 beschrieben.
9 stellt ein Beispiel dar, in dem die Speicherschaltung 510 (MEM) eine Vielzahl der Speicherzellen MC in y Zeilen und x Spalten (x und y sind natürliche Zahlen) beinhaltet und die Referenzspeicherschaltung 520 (RMEM) eine Vielzahl der Speicherzellen MCR in y Zeilen und einer Spalte beinhaltet.
Es sei angemerkt, dass eine Source eines Transistors in dieser Beschreibung und dergleichen einen Source-Bereich, der ein Teil einer Halbleiterschicht ist, die als Kanalbildungsbereich dient, eine Source-Elektrode, die mit der Halbleiterschicht verbunden ist, und dergleichen bedeutet. Auf ähnliche Weise bedeutet ein Drain eines Transistors einen Drain-Bereich, der ein Teil der Halbleiterschicht ist, oder eine Drain-Elektrode, die mit der Halbleiterschicht verbunden ist, und dergleichen. Ein Gate bedeutet zudem eine Gate-Elektrode und dergleichen.
Des Weiteren werden die Bezeichnungen für die Source und den Drain, die ein Transistor umfasst, in Abhängigkeit von dem Leitungstyp des Transistors oder den Pegeln der Potentiale, die den Anschlüssen zugeführt werden, miteinander ausgetauscht. Im Allgemeinen wird bei einem n-Kanal-Transistor ein Anschluss, dem ein niedriges Potential zugeführt wird, als Source bezeichnet und wird ein Anschluss, dem ein hohes Potential zugeführt wird, als Drain bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird bei einem p-Kanal-Transistor ein Anschluss, dem ein niedriges Potential zugeführt wird, als Drain bezeichnet und wird ein Anschluss, dem ein hohes Potential zugeführt wird, als Source bezeichnet. In dieser Beschreibung wird die Verbindungsbeziehung eines Transistors mitunter der Einfachheit halber in der Annahme beschrieben, dass die Source und der Drain unveränderlich sind; tatsächlich sind jedoch die Bezeichnungen für die Source und den Drain in Abhängigkeit von der Beziehung der vorstehend beschriebenen Potentiale austauschbar.
Die Speicherschaltung 510 ist mit der Leitung RW, einer Leitung WW, der Leitung WD, der Leitung VR und der Leitung BL verbunden. In dem Beispiel, das in 9 dargestellt ist, sind Leitungen RW[1] bis RW[y] und Leitungen WW[1] bis WW[y] mit den Speicherzellen MC in den jeweiligen Zeilen verbunden. Außerdem sind in 9 Leitungen WD[1] bis WD[x], Leitungen BL[1] bis BL[x] und Leitungen VR[1] bis VR[x] mit den Speicherzellen MC in den jeweiligen Spalten verbunden. Es sei angemerkt, dass die Leitungen VR[1] bis VR[x] miteinander verbunden sein können.
Die Referenzspeicherschaltung 520 ist mit der Leitung RW, der Leitung WW, der Leitung WDREF, der Leitung VRREF und der Leitung BLREF verbunden. In dem Beispiel, das in 9 dargestellt ist, sind die Leitungen RW[1] bis RW[y] und die Leitungen WW[1] bis WW[y] mit den Speicherzellen MCR in den jeweiligen Zeilen verbunden. Außerdem sind Leitungen WDREF, Leitungen BLREF und Leitungen VRREF mit den Speicherzellen MCR in der einen Spalte verbunden. Es sei angemerkt, dass die Leitung VRREF mit den Leitungen VR[1] bis VR[x] verbunden sein kann.
10 stellt beispielhaft eine spezifische Schaltungskonfiguration und eine spezifische Verbindungsbeziehung der Speicherzellen MC in zwei beliebigen Zeilen und zwei beliebigen Spalten unter den Speicherzellen MC, die in 9 dargestellt sind, und der Speicherzellen MCR in zwei beliebigen Zeilen und einer Spalte unter den Speicherzellen MCR dar, die in 9 dargestellt sind.
Insbesondere stellt 10 die Speicherzelle MC[p, q] in der p-ten Zeile und der q-ten Spalte, die Speicherzelle MC[p+1, q] in der p+1-ten Zeile und der q-ten Spalte, eine Speicherzelle MC[p, q+1] in der p-ten Zeile und der q+1-ten Spalte und eine Speicherzelle MC[p+1, q+1] in der p+1-ten Zeile und der q+1-ten Spalte dar. 10 stellt auch die Speicherzelle MCR[p] in der p-ten Zeile und die Speicherzelle MCR[p+1] in der p+1-ten Zeile dar. Es sei angemerkt, dass p und p+1 jeweils eine beliebige Zahl von 1 bis y ist und q und q+1 jeweils eine beliebige Zahl von 1 bis x ist.
Die Speicherzelle MC[p, q], die Speicherzelle MC[p, q+1] und die Speicherzelle MCR[p] in der p-ten Zeile sind mit der Leitung RW[p] und einer Leitung WW[p] verbunden. Die Speicherzelle MC[p+1, q], die Speicherzelle MC[p+1, q+1] und die Speicherzelle MCR[p+1] in der p+1-ten Zeile sind mit der Leitung RW[p+1] und einer Leitung WW[p+1] verbunden.
Die Speicherzelle MC[p, q] und die Speicherzelle MC[p+1, q] in der q-ten Spalte sind mit der Leitung WD[q], der Leitung VR[q] und der Leitung BL[q] verbunden. Die Speicherzelle MC[p, q+1] und die Speicherzelle MC[p+1, q+1] in der q+1-ten Spalte sind mit einer Leitung WD[q+1], einer Leitung VR[q+1] und einer Leitung BL[q+1] verbunden. Die Speicherzelle MCR[p] in der p-ten Zeile und die Speicherzelle MCR[p+1] in der p+1-ten Zeile sind mit der Leitung WDREF, der Leitung VRREF und der Leitung BLREF verbunden.
Die Speicherzellen MC und MCR beinhalten jeweils den Transistor Tr11, einen Transistor Tr12 und einen Kondensator C11. Der Transistor Tr12 weist eine Funktion zum Steuern der Eingabe des ersten analogen Potentials in die Speicherzelle MC oder die Speicherzelle MCR auf. Der Transistor Tr11 weist eine Funktion zum Erzeugen eines analogen Stroms gemäß einem Potential auf, das in sein Gate eingegeben wird. Der Kondensator C11 weist eine Funktion zum Addieren des zweiten analogen Potentials oder eines Potentials, das dem zweiten analogen Potential entspricht, zu dem ersten analogen Potential oder einem Potential auf, das dem ersten analogen Potential entspricht, das in der Speicherzelle MC oder der Speicherzelle MCR gehalten wird.
Insbesondere ist in der Speicherzelle MC, die in 10 dargestellt ist, ein Gate des Transistors Tr12 mit der Leitung WW verbunden, ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr12 ist mit der Leitung WD verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr12 ist mit dem Gate des Transistors Tr11 verbunden. Des Weiteren ist ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr11 mit der Leitung VR verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr11 ist mit der Leitung BL verbunden. Eine erste Elektrode des Kondensators C11 ist mit der Leitung RW verbunden und eine zweite Elektrode des Kondensators C11 ist mit dem Gate des Transistors Tr11 verbunden.
Außerdem ist in der Speicherzelle MCR, die in 10 dargestellt ist, ein Gate des Transistors Tr12 mit der Leitung WW verbunden, ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr12 ist mit der Leitung WDREF verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr12 ist mit dem Gate des Transistors Tr11 verbunden. Des Weiteren ist ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr11 mit der Leitung VRREF verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr11 ist mit der Leitung BLREF verbunden. Eine erste Elektrode des Kondensators C11 ist mit der Leitung RW verbunden und eine zweite Elektrode des Kondensators C11 ist mit dem Gate des Transistors Tr11 verbunden.
Das Gate des Transistors Tr11 der Speicherzelle MC wird hier als Knoten N bezeichnet. In der Speicherzelle MC wird das erste analoge Potential an den Knoten N über den Transistor Tr12 eingegeben. Anschließend wird dann, wenn der Transistor Tr12 ausgeschaltet wird, der Knoten N in einen potentialfreien Zustand versetzt, und das erste analoge Potential oder das Potential, das dem ersten analogen Potential entspricht, wird an den Knoten N gehalten. In der Speicherzelle MC wird dann, wenn der Knoten N in einen potentialfreien Zustand versetzt wird, das zweite analoge Potential, das in die erste Elektrode des Kondensators C11 eingegeben wird, an den Knoten N angelegt. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs kann der Knoten N ein Potential aufweisen, das erhalten wird, indem das zweite analoge Potential oder das Potential, das dem zweiten analogen Potential entspricht, zu dem ersten analogen Potential oder dem Potential, das dem ersten analogen Potential entspricht, addiert wird.
Weil das Potential der ersten Elektrode des Kondensators C11 an den Knoten N über den Kondensator C11 angelegt wird, ist in Wirklichkeit der Änderungsbetrag des Potentials der ersten Elektrode dem Änderungsbetrag des Potentials des Knotens N nicht exakt gleich. Insbesondere kann der präzise Änderungsbetrag des Potentials des Knotens N auf die folgende Weise berechnet werden: Ein Kopplungskoeffizient, der durch den Kapazitätswert des Kondensators C11, den Wert der Gate-Kapazität des Transistors Tr11 und den Wert einer Parasitärkapazität eindeutig bestimmt wird, wird mit dem Änderungsbetrag des Potentials der ersten Elektrode multipliziert. In der folgenden Beschreibung wird zum leichteren Verständnis davon ausgegangen, dass der Änderungsbetrag des Potentials der ersten Elektrode im Wesentlichen dem Änderungsbetrag des Potentials des Knotens N gleicht.
Der Drainstrom des Transistors Tr11 wird gemäß dem Potential des Knotens N bestimmt. Daher wird dann, wenn der Transistor Tr12 ausgeschaltet wird, der Wert des Drainstroms des Transistors Tr11 ebenso wie das Potential des Knotens N gehalten. Der Drainstrom wird von dem ersten analogen Potential und dem zweiten analogen Potential beeinflusst.
Das Gate des Transistors Tr11 in der Speicherzelle MCR wird hier als Knoten NREF bezeichnet. In der Speicherzelle MCR wird das erste Referenzpotential oder ein Potential, das dem ersten Referenzpotential entspricht, an den Knoten NREF über den Transistor Tr12 eingegeben. Anschließend wird dann, wenn der Transistor Tr12 ausgeschaltet wird, der Knoten NREF in einen potentialfreien Zustand versetzt, und das erste Referenzpotential oder das Potential, das dem ersten Referenzpotential entspricht, wird an dem Knoten NREF gehalten. In der Speicherzelle MCR wird dann, wenn der Knoten NREF in einen potentialfreien Zustand versetzt wird, das zweite analoge Potential, das in die erste Elektrode des Kondensators C11 eingegeben wird, an den Knoten NREF angelegt. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs kann der Knoten NREF ein Potential aufweisen, das erhalten wird, indem das zweite analoge Potential oder das Potential, das dem zweiten analogen Potential entspricht, zu dem ersten Referenzpotential oder dem Potential, das dem ersten Referenzpotential entspricht, addiert wird.
Der Drainstrom des Transistors Tr11 wird gemäß dem Potential des Knotens NREF bestimmt. Daher wird dann, wenn der Transistor Tr12 ausgeschaltet wird, der Wert des Drainstroms des Transistors Tr11 ebenso wie das Potential des Knotens NREF gehalten. Der Drainstrom wird von dem ersten Referenzpotential und dem zweiten analogen Potential beeinflusst.
Wenn der Drainstrom des Transistors Tr11 in der Speicherzelle MC[p, q] der Strom I[p, q] ist und der Drainstrom des Transistors Tr11 in der Speicherzelle MC[p+1, q] der Strom I[p+1, q] ist, ist die Summe von Strömen, die der Speicherzelle MC[p, q] und der Speicherzelle MC[p+1, q] über die Leitung BL[q] zugeführt werden, der Strom I[q]. Wenn der Drainstrom des Transistors Tr11 in der Speicherzelle MC[p, q+1] ein Strom I[p, q+1] ist und der Drainstrom des Transistors Tr11 in der Speicherzelle MC[p+1, q+1] ein Strom I[p+1, q+1] ist, ist die Summe von Strömen, die der Speicherzelle MC[p, q+1] und der Speicherzelle MC[p+1, q+1] über die Leitung BL[q+1] zugeführt werden, ein Strom I[q+1]. Wenn der Drainstrom des Transistors Tr11 in der Speicherzelle MCR[p] der Strom IREF[p] ist und der Drainstrom des Transistors Tr11 in der Speicherzelle MCR[p+1] der Strom IREF[p+1] ist, ist die Summe von Strömen, die der Speicherzelle MCR[p] und der Speicherzelle MCR[p+1] über die Leitung BLREF zugeführt werden, der Strom IREF.
<Konfigurationsbeispiel der Schaltung 530, der Schaltung 540 und der Stromquellenschaltung>
Dann wird ein spezifisches Konfigurationsbeispiel der Schaltung 530, der Schaltung 540 und der Stromquellenschaltung 550 (CREF) anhand von 11 beschrieben.
11 stellt ein Konfigurationsbeispiel der Schaltung 530, der Schaltung 540 und der Stromquellenschaltung 550 für die Speicherzelle MC und die Speicherzelle MCR dar, die in 10 dargestellt sind. Insbesondere beinhaltet die Schaltung 530 in 11 eine Schaltung 530[q] für die Speicherzellen MC in der q-ten Spalte und eine Schaltung 530[q+1] für die Speicherzellen MC in der q+1-ten Spalte. In 11 beinhaltet die Schaltung 540 eine Schaltung 540[q] für die Speicherzellen MC in der q-ten Spalte und eine Schaltung 540[q+1] für die Speicherzellen MC in der q+1-ten Spalte.
Die Schaltung 530[q] und die Schaltung 540[q] sind mit der Leitung BL[q] verbunden. Die Schaltung 530[q+1] und die Schaltung 540[q+1] sind mit der Leitung BL[q+1] verbunden.
Die Stromquellenschaltung 550 ist mit der Leitung BL[q], der Leitung BL[q+1] und der Leitung BLREF verbunden. Die Stromquellenschaltung 550 weist eine Funktion zum Zuführen des Stroms IREF zu der Leitung BLREF und eine Funktion zum Zuführen des Stroms, der dem Strom IREF gleicht, oder des Stroms, der dem Strom IREF entspricht, sowohl zu der Leitung BL[q] als auch zu der Leitung BL[q+1] auf.
Insbesondere beinhalten die Schaltung 530[q] und die Schaltung 530[q+1] jeweils Transistoren Tr24 bis Tr26 und einen Kondensator C22. Der Transistor Tr24 in der Schaltung 530[q] weist eine Funktion zum Erzeugen des Stroms ICM[q] auf, der der Differenz zwischen dem Strom I[q] und dem Strom IREF entspricht, wenn der Strom I[q] höher ist als der Strom IREF, wodurch Offset-Strom eingestellt wird. Des Weiteren weist der Transistor Tr24 in der Schaltung 530[q+1] eine Funktion zum Erzeugen eines Stroms ICM[q+1] auf, der der Differenz zwischen dem Strom I[q+1] und dem Strom IREF entspricht, wenn der Strom I[q+1] höher ist als der Strom IREF. Der Strom ICM[q] und der Strom ICM[q+1] werden der Leitung BL[q] und der Leitung BL[q+1] von der Schaltung 530[q] bzw. der Schaltung 530[q+1] zugeführt.
Sowohl in der Schaltung 530[q] als auch in der Schaltung 530[q+1] ist ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr24 mit der entsprechenden Leitung BL verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain ist mit einer Leitung verbunden, durch die ein vorbestimmtes Potential zugeführt wird. Ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr25 ist mit der Leitung BL verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain ist mit einem Gate des Transistors Tr24 verbunden. Ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr26 ist mit dem Gate des Transistors Tr24 verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain ist mit einer Leitung verbunden, durch die ein vorbestimmtes Potential zugeführt wird. Eine erste Elektrode des Kondensators C22 ist mit dem Gate des Transistors Tr24 verbunden, und eine zweite Elektrode des Kondensators C22 ist mit einer Leitung verbunden, durch die ein vorbestimmtes Potential zugeführt wird.
Ein Gate des Transistors Tr25 ist mit einer Leitung OSM verbunden, und ein Gate des Transistors Tr26 ist mit einer Leitung ORM verbunden.
Es sei angemerkt, dass 11 ein Beispiel darstellt, in dem der Transistor Tr24 ein p-Kanal-Transistor ist und die Transistoren Tr25 und Tr26 n-Kanal-Transistoren sind.
Die Schaltung 540[q] und die Schaltung 540[q+1] beinhalten jeweils Transistoren Tr21 bis Tr23 und einen Kondensator C21. Der Transistor Tr21 in der Schaltung 540[q] weist eine Funktion zum Erzeugen des Stroms ICP[q] auf, der der Differenz zwischen dem Strom I[q] und dem Strom IREF entspricht, wenn der Strom I[q] niedriger ist als der Strom IREF, wodurch Offset-Strom eingestellt wird. Des Weiteren weist der Transistor Tr21 in der Schaltung 540[q+1] eine Funktion zum Erzeugen eines Stroms ICP[q+1] auf, der der Differenz zwischen dem Strom I[q+1] und dem Strom IREF entspricht, wenn der Strom I[q+1] niedriger ist als der Strom IREF. Der Strom ICP[q] und der Strom ICP[q+1] werden aus der Leitung BL[q] und aus der Leitung BL[q+1] in die Schaltung 540[q] bzw. in die Schaltung 540[q+1] aufgenommen.
Es sei angemerkt, dass der Strom ICM[q] und der Strom ICP[q] jeweils dem Strom loffset[q] entsprechen und dass der Strom ICM[q+1] und der Strom ICP[q+1] jeweils einem Strom loffset[q+1] entsprechen.
Sowohl in der Schaltung 540[q] als auch in der Schaltung 540[q+1] ist ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr21 mit der entsprechenden Leitung BL verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain ist mit einer Leitung verbunden, durch die ein vorbestimmtes Potential zugeführt wird. Ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr22 ist mit der entsprechenden Leitung BL verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain ist mit einem Gate des Transistors Tr21 verbunden. Ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr23 ist mit dem Gate des Transistors Tr21 verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain ist mit einer Leitung verbunden, durch die ein vorbestimmtes Potential zugeführt wird. Eine erste Elektrode des Kondensators C21 ist mit dem Gate des Transistors Tr21 verbunden, und eine zweite Elektrode des Kondensators C21 ist mit einer Leitung verbunden, durch die ein vorbestimmtes Potential zugeführt wird.
Ein Gate des Transistors Tr22 ist mit einer Leitung OSP verbunden, und ein Gate des Transistors Tr23 ist mit einer Leitung ORP verbunden.
Es sei angemerkt, dass 11 ein Beispiel darstellt, in dem die Transistoren Tr21 bis Tr23 n-Kanal-Transistoren sind.
Die Stromquellenschaltung 550 beinhaltet einen Transistor Tr27 für die Leitung BL und einen Transistor Tr28 für die Leitung BLREF. Insbesondere stellt 11 ein Beispiel dar, in dem die Stromquellenschaltung 550 als Transistor Tr27 einen Transistor Tr27[q] für die Leitung BL[q] und einen Transistor Tr27[q+1] für die Leitung BL[q+1] beinhaltet.
Ein Gate des Transistors Tr27 ist mit einem Gate des Transistors Tr28 verbunden. Ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr27 ist mit der entsprechenden Leitung BL verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain ist mit einer Leitung verbunden, durch die ein vorbestimmtes Potential zugeführt wird. Ein Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr28 ist mit der Leitung BLREF verbunden und der andere Anschluss von Source und Drain ist mit einer Leitung verbunden, durch die ein vorbestimmtes Potential zugeführt wird.
Die Transistoren Tr27 und Tr28 weisen die gleiche Polarität auf. 11 stellt ein Beispiel dar, in dem die Transistoren Tr27 und Tr28 p-Kanal-Transistoren sind.
Der Drainstrom des Transistors Tr28 entspricht dem Strom IREF. Der Transistor Tr27 und der Transistor Tr28 dienen kollektiv als Stromspiegelschaltung; daher gleicht der Drainstrom des Transistors Tr27 im Wesentlichen dem Drainstrom des Transistors Tr28 oder entspricht dem Drainstrom des Transistors Tr28.
<Betriebsbeispiel der Halbleitervorrichtung>
Als Nächstes wird ein spezifisches Beispiel für die Arbeitsweise der Halbleitervorrichtung 500 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von 10 bis 12 beschrieben.
12 ist ein Beispiel für ein Zeitdiagramm, das die Arbeitsweisen der Speicherzelle MC und der Speicherzelle MCR, die in 10 dargestellt sind, sowie der Schaltung 530, der Schaltung 540 und der Stromquellenschaltung 550 zeigt, die in 11 dargestellt sind. Von der Zeit T01 bis zu der Zeit T04 in 12 werden die ersten analogen Daten in der Speicherzelle MC und der Speicherzelle MCR gespeichert. Von der Zeit T05 bis zu der Zeit T10 wird der Offset-Strom loffset eingestellt, der in der Schaltung 530 und der Schaltung 540 zugeführt wird. Von der Zeit T11 bis zu der Zeit T16 werden Daten erhalten, die der Produkt-Summe der ersten analogen Daten und der zweiten analogen Daten entsprechen.
Es sei angemerkt, dass der Leitung VR[q] und der Leitung VR[q+1] ein Potential mit niedrigem Pegel zugeführt wird. Das Potential VDD mit hohem Pegel wird sämtlichen Leitungen mit einem vorbestimmten Potential zugeführt, die mit der Schaltung 530 verbunden sind. Das Potential VSS mit niedrigem Pegel wird sämtlichen Leitungen mit einem vorbestimmten Potential zugeführt, die mit der Schaltung 540 verbunden sind. Das Potential VDD mit hohem Pegel wird sämtlichen Leitungen mit einem vorbestimmten Potential zugeführt, die mit der Stromquellenschaltung 550 verbunden sind.
Die Transistoren Tr11, Tr21, Tr24, Tr27[q], Tr27[q+1] und Tr28 arbeiten jeweils in einem Sättigungsbereich.
Zuerst wird von der Zeit T01 bis zu der Zeit T02 ein Potential mit hohem Pegel an die Leitung WW[p] angelegt, und ein Potential mit niedrigem Pegel wird an die Leitung WW[p+1] angelegt. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs werden die Transistoren Tr12 in der Speicherzelle MC[p, q], der Speicherzelle MC[p, q+1] und der Speicherzelle MCR[p] eingeschaltet, die in 10 dargestellt sind. Die Transistoren Tr12 bleiben in der Speicherzelle MC[p+1, q], der Speicherzelle MC[p+1, q+1] und der Speicherzelle MCR[p+1] ausgeschaltet.
Außerdem wird von der Zeit T01 bis zu der Zeit T02 ein Potential, das erhalten wird, indem das erste analoge Potential von dem ersten Referenzpotential VPR subtrahiert wird, sowohl an die Leitung WD[q] als auch an die Leitung WD[q+1] angelegt, die in 10 dargestellt sind. Insbesondere wird das Potential VPR-Vx[p, q] an die Leitung WD[q] angelegt, und ein Potential VPR-Vx[p, q+1] wird an die Leitung WD[q+1] angelegt. Das erste Referenzpotential VPR wird an die Leitung WDREF angelegt, und ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD, z. B. ein Potential (VDD+VSS)/2, wird als Basispotential an die Leitung RW[p] und die Leitung RW[p+1] angelegt.
Dementsprechend wird das Potential VPR-Vx[p, q] an einen Knoten N[p, q] über den Transistor Tr12 in der Speicherzelle MC[p, q] angelegt, die in 10 dargestellt ist, das Potential VPR-Vx[p, q+1] wird an einen Knoten N[p, q+1] über den Transistor Tr12 in der Speicherzelle MC[p, q+1] angelegt, und das erste Referenzpotential VPR wird an einen Knoten NREF[p] über den Transistor Tr12 in der Speicherzelle MCR[p] angelegt.
Nach der Zeit T02 verändert sich das Potential, das an die Leitung WW[p] angelegt wird, die in 10 dargestellt ist, von einem Potential mit hohem Pegel zu einem Potential mit niedrigem Pegel, so dass die Transistoren Tr12 in der Speicherzelle MC[p, q], der Speicherzelle MC[p, q+1] und der Speicherzelle MCR[p] ausgeschaltet werden. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs e wird das Potential VPR-Vx[p, q] an dem Knoten N[p, q] gehalten, das Potential VPR-Vx[p, q+1] wird an dem Knoten N[p, q+1] gehalten und das erste Referenzpotential VPR wird an dem Knoten NREF[p] gehalten.
Anschließend verbleibt von der Zeit T03 bis zu der Zeit T04 das Potential der Leitung WW[p], die in 10 dargestellt ist, auf einem Potential mit niedrigem Pegel und ein Potential mit hohem Pegel wird an die Leitung WW[p+1] angelegt. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs werden die Transistoren Tr12 in der Speicherzelle MC[p+1, q], der Speicherzelle MC[p+1, q+1] und der Speicherzelle MCR[p+1] eingeschaltet, die in 10 dargestellt sind. Die Transistoren Tr12 bleiben in der Speicherzelle MC[p, q], der Speicherzelle MC[p, q+1] und der Speicherzelle MCR[p] ausgeschaltet.
Außerdem wird von der Zeit T03 bis zu der Zeit T04 ein Potential, das erhalten wird, indem das erste analoge Potential von dem ersten Referenzpotential VPR subtrahiert wird, sowohl an die Leitung WD[q] als auch an die Leitung WD[q+1] angelegt, die in 10 dargestellt sind. Insbesondere wird das Potential VPR-Vx[p+1, q] an die Leitung WD[q] angelegt, und ein Potential VPR-Vx[p+1, q+1] wird an die Leitung WD[q+1] angelegt. Das erste Referenzpotential VPR wird an die Leitung WDREF angelegt, und ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD, z. B. das Potential (VDD+VSS)/2, wird als Basispotential an die Leitung RW[p] und die Leitung RW[p+1] angelegt.
Dementsprechend wird das Potential VPR-Vx[p+1, q] an einen Knoten N[p+1, q] über den Transistor Tr12 in der Speicherzelle MC[p+1, q] angelegt, die in 10 dargestellt ist, das Potential VPR-Vx[p+1, q+1] wird an einen Knoten N[p+1, q+1] über den Transistor Tr12 in der Speicherzelle MC[p+1, q+1] angelegt, und das erste Referenzpotential VPR wird an einen Knoten NREF[p+1] über den Transistor Tr12 in der Speicherzelle MCR[p+1] angelegt.
Nach der Zeit T04 verändert sich das Potential, das an die Leitung WW[p+1] angelegt wird, die in 10 dargestellt ist, von einem Potential mit hohem Pegel zu einem Potential mit niedrigem Pegel, so dass die Transistoren Tr12 in der Speicherzelle MC[p+1, q], der Speicherzelle MC[p+1, q+1] und der Speicherzelle MCR[p+1] ausgeschaltet werden. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs wird das Potential VPR-Vx[p+1, q] an dem Knoten N[p+1, q] gehalten, das Potential VPR-Vx[p+1, q+1] wird an dem Knoten N[p+1, q+1] gehalten und das erste Referenzpotential VPR wird an dem Knoten NREF[p+1] gehalten.
Als Nächstes wird von der Zeit T05 bis zu der Zeit T06 ein Potential mit hohem Pegel an die Leitung ORP und die Leitung ORM angelegt, die in 11 dargestellt sind. Wenn ein Potential mit hohem Pegel an die Leitung ORM angelegt wird, werden die Transistoren Tr26 in der Schaltung 530[q] und der Schaltung 530[q+1], die in 11 dargestellt sind, eingeschaltet, so dass die Gates der Transistoren Tr24 durch das an diese angelegte Potential VDD zurückgesetzt werden. Wenn ein Potential mit hohem Pegel an die Leitung ORP angelegt wird, werden ferner die Transistoren Tr23 in der Schaltung 540[q] und der Schaltung 540[q+1], die in 11 dargestellt sind, eingeschaltet, so dass die Gates der Transistoren Tr21 durch das an diese angelegte Potential VSS zurückgesetzt werden.
Nach der Zeit T06 verändert sich das Potential, das an die Leitung ORP und die Leitung ORM angelegt wird, die in 10 dargestellt sind, von einem Potential mit hohem Pegel zu einem Potential mit niedrigem Pegel, so dass die Transistoren Tr26 in der Schaltung 530[q] und der Schaltung 530[q+1] und die Transistoren Tr23 in der Schaltung 540[q] und der Schaltung 540[q+1] ausgeschaltet werden. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs wird das Potential VDD an dem Gate des Transistors Tr24 sowohl in der Schaltung 530[q] als auch in der Schaltung 530[q+1] gehalten und das Potential VSS wird an dem Gate des Transistors Tr21 sowohl in der Schaltung 540[q] als auch in der Schaltung 540[q+1] gehalten.
Von der Zeit T07 bis zu der Zeit T08 wird ein Potential mit hohem Pegel an die Leitung OSP angelegt, die in 11 dargestellt ist. Des Weiteren wird ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD, z. B. das Potential (VDD+VSS)/2, als Basispotential an die Leitung RW[p] und die Leitung RW[p+1] angelegt, die in 10 dargestellt sind. Da ein Potential mit hohem Pegel an die Leitung OSP angelegt wird, werden die Transistoren Tr22 in der Schaltung 540[q] und der Schaltung 540[q+1] eingeschaltet.
In dem Fall, in dem der Strom I[q], der durch die Leitung BL[q] fließt, niedriger ist als der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, d. h. in dem Fall, in dem der Strom ΔI[q] einen positiven Wert aufweist, bedeutet das, dass die Summe des Stroms, der von dem Transistor Tr11 in die Speicherzelle MC[p, q] aufgenommen werden kann, die in 10 dargestellt ist, und des Stroms, der von dem Transistor Tr11 in die Speicherzelle MC[p+1, q] aufgenommen werden kann, kleiner ist als der Drainstrom des Transistors Tr27[q]. Daher fließt in dem Fall, in dem der Strom ΔI[q] einen positiven Wert aufweist, ein Teil des Drainstroms des Transistors Tr27[q] in das Gate des Transistors Tr21, wenn der Transistor Tr22 in der Schaltung 540[q] eingeschaltet wird, und das Potential des Gates beginnt anzusteigen. Wenn der Drainstrom des Transistors Tr21 dem Strom ΔI[q] im Wesentlichen gleich wird, nähert sich das Potential des Gates des Transistors Tr21 einem bestimmten Wert an. Das Potential des Gates des Transistors Tr21 zu diesem Zeitpunkt entspricht einem Potential, auf dem der Drainstrom des Transistors Tr21 zu dem Strom ΔI[q], d. h. dem Strom loffset[q] (= ICP[q]), wird. Dies bedeutet, dass sich der Transistor Tr21 in der Schaltung 540[q] in einem Zustand befindet, in dem er als Stromquelle dient, die den Strom ICP[q] zuführen kann.
Auf ähnliche Weise fließt in dem Fall, in dem der Strom I[q+1], der durch die Leitung BL[q+1] fließt, niedriger ist als der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, d. h. in dem Fall, in dem ein Strom ΔI[q+1] einen positiven Wert aufweist, ein Teil des Drainstroms des Transistors Tr27[q+1] in das Gate des Transistors Tr21, wenn der Transistor Tr22 in der Schaltung 540[q+1] eingeschaltet wird, und das Potential des Gates beginnt anzusteigen. Wenn der Drainstrom des Transistors Tr21 dem Strom ΔI[q+1] im Wesentlichen gleich wird, nähert sich das Potential des Gates des Transistors Tr21 einem bestimmten Wert an. Das Potential des Gates des Transistors Tr21 zu diesem Zeitpunkt entspricht einem Potential, auf dem der Drainstrom des Transistors Tr21 zu dem Strom ΔI[q+1], d. h. dem Strom Ioffset[q+1] (= ICP[q+1]), wird. Dies bedeutet, dass sich der Transistor Tr21 in der Schaltung 540[q+1] in einem Zustand befindet, in dem er als Stromquelle dient, die den Strom ICP[q+1] zuführen kann.
Nach der Zeit T08 verändert sich das Potential, das an die Leitung OSP angelegt wird, die in 11 dargestellt ist, von einem Potential mit hohem Pegel zu einem Potential mit niedrigem Pegel, so dass die Transistoren Tr22 in der Schaltung 540[q] und der Schaltung 540[q+1] ausgeschaltet werden. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs werden die Potentiale der Gates der Transistoren Tr21 gehalten. Daher bleibt die Schaltung 540[q] in einem Zustand, in dem sie als Stromquelle dient, die den Strom ICP[q] zuführen kann, und die Schaltung 540[q+1] bleibt in einem Zustand, in dem sie als Stromquelle dient, die den Strom ICP[q+1] zuführen kann.
Von der Zeit T09 bis zu der Zeit T10 wird ein Potential mit hohem Pegel an die Leitung OSM angelegt, die in 11 dargestellt ist. Des Weiteren wird ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD, z. B. das Potential (VDD+VSS)/2, als Basispotential sowohl an die Leitung RW[p] als auch an die Leitung RW[p+1] angelegt, die in 10 dargestellt sind. Da ein Potential mit hohem Pegel an die Leitung OSM angelegt wird, werden die Transistoren Tr25 in der Schaltung 530[q] und der Schaltung 530[q+1] eingeschaltet.
In dem Fall, in dem der Strom I[q], der durch die Leitung BL[q] fließt, höher ist als der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, d. h. in dem Fall, in dem der Strom ΔI[q] einen negativen Wert aufweist, bedeutet das, dass die Summe des Stroms, der von dem Transistor Tr11 in die Speicherzelle MC[p, q] aufgenommen werden kann, die in 10 dargestellt ist, und des Stroms, der von dem Transistor Tr11 in die Speicherzelle MC[p+1, q] aufgenommen werden kann, größer ist als der Drainstrom des Transistors Tr27[q]. Daher fließt in dem Fall, in dem der Strom ΔI[q] einen negativen Wert aufweist, ein Strom aus dem Gate des Transistors Tr24 in die Leitung BL[q], wenn der Transistor Tr25 in der Schaltung 530[q] eingeschaltet wird, und das Potential des Gates beginnt abzufallen. Wenn der Drainstrom des Transistors Tr24 dem Strom ΔI[q] im Wesentlichen gleich wird, nähert sich das Potential des Gates des Transistors Tr24 einem bestimmten Wert an. Das Potential des Gates des Transistors Tr24 zu diesem Zeitpunkt entspricht einem Potential, auf dem der Drainstrom des Transistors Tr24 zu dem Strom ΔI[q], d. h. dem Strom loffset[q] (= ICM[q]), wird. Dies bedeutet, dass sich der Transistor Tr24 in der Schaltung 530[q] in einem Zustand befindet, in dem er als Stromquelle dient, die den Strom ICM[q] zuführen kann.
Auf ähnliche Weise fließt in dem Fall, in dem der Strom I[q+1], der durch die Leitung BL[q+1] fließt, höher ist als der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, d. h. in dem Fall, in dem der Strom ΔI[q+1] einen negativen Wert aufweist, ein Strom aus dem Gate des Transistors Tr24 in der Schaltung 530[q+1] in die Leitung BL[q+1], wenn der Transistor Tr25 eingeschaltet wird, und das Potential des Gates beginnt abzufallen. Wenn der Drainstrom des Transistors Tr24 dem Absolutwert des Stroms ΔI[q+1] im Wesentlichen gleich wird, nähert sich das Potential des Gates des Transistors Tr24 einem bestimmten Wert an. Das Potential des Gates des Transistors Tr24 zu diesem Zeitpunkt entspricht einem Potential, auf dem der Drainstrom des Transistors Tr24 dem Absolutwert des Stroms ΔI[q+1], d. h. dem Strom loffset[q+1] (= ICM[q+1]), gleich wird. Dies bedeutet, dass sich der Transistor Tr24 in der Schaltung 530[q+1] in einem Zustand befindet, in dem er als Stromquelle dient, die den Strom ICM[q+1] zuführen kann.
Nach der Zeit T10 verändert sich das Potential, das an die Leitung OSM angelegt wird, die in 11 dargestellt ist, von einem Potential mit hohem Pegel zu einem Potential mit niedrigem Pegel, so dass die Transistoren Tr25 in der Schaltung 530[q] und der Schaltung 530[q+1] ausgeschaltet werden. Als Ergebnis des vorstehenden Vorgangs werden die Potentiale der Gates der Transistoren Tr24 gehalten. Daher bleibt die Schaltung 530[q] in einem Zustand, in dem sie als Stromquelle dient, die den Strom ICM[q] zuführen kann, und die Schaltung 530[q+1] bleibt in einem Zustand, in dem sie als Stromquelle dient, die den Strom ICM[q+1] zuführen kann.
Sowohl in der Schaltung 540[q] als auch in der Schaltung 540[q+1] weist der Transistor Tr21 eine Funktion zum Aufnehmen eines Stroms auf. Von der Zeit T07 bis zu der Zeit T08 könnte es daher dann, wenn der Strom I[q], der durch die Leitung BL[q] fließt, höher ist als der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, und der Strom ΔI[q] einen negativen Wert aufweist, oder dann, wenn der Strom I[q+1], der durch die Leitung BL[q+1] fließt, höher ist als der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, und der Strom L11[q+1] einen negativen Wert aufweist, schwierig sein, der Leitung BL[q] oder der Leitung BL[q+1] weder zu viel noch zu wenig Strom von der Schaltung 540[q] oder der Schaltung 540[q+1] zuzuführen. In diesem Fall könnte es schwierig sein, dass der Transistor Tr11 in der Speicherzelle MC, der Transistor Tr21 in der Schaltung 540[q] oder der Schaltung 540[q+1] und der Transistor Tr27[q] oder Tr27[q+1] gleichzeitig in einem Sättigungsbereich arbeiten, weil zwischen dem Strom, der durch die Leitung BLREF fließt, und dem Strom, der durch die Leitung BL[q] oder die Leitung BL[q+1] fließt, eine Balance besorgt wird.
Um sicherzustellen, dass von der Zeit T07 bis zu der Zeit T08 der Transistor Tr11, der Transistor Tr21 und der Transistor Tr27[q] oder Tr27[q+1] selbst dann in einem Sättigungsbereich arbeiten, wenn der Strom ΔI[q] einen negativen Wert aufweist, kann, anstatt das Potential des Gates des Transistors Tr24 auf das Potential VDD zurückzusetzen, das Potential des Gates des Transistors Tr24 von der Zeit T05 bis zu der Zeit T06 auf ein Potential, das ausreichend hoch ist, um einen vorbestimmten Drainstrom zu erhalten, eingestellt werden. Bei der vorstehenden Konfiguration kann die Menge eines Stroms, die von dem Transistor Tr11 nicht aufgenommen werden kann, von dem Transistor Tr21 zu einem gewissen Grad aufgenommen werden, weil ein Strom von dem Transistor Tr24, ebenso wie der Drainstrom des Transistors Tr27[q] oder Tr27[q+1], zugeführt wird; daher kann sichergestellt werden, dass der Transistor Tr11, der Transistor Tr21 und der Transistor Tr27[q] oder Tr27[q+1] in einem Sättigungsbereich arbeiten.
Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem von der Zeit T09 bis zu der Zeit T10 der Strom I[q], der durch die Leitung BL[q] fließt, niedriger ist als der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, d. h. in dem Fall, in dem der Strom ΔI[q] einen positiven Wert aufweist, das Potential des Gates des Transistors Tr24 in der Schaltung 530[q] einen Wert hält, der im Wesentlichen demjenigen des Potentials VDD gleicht, da von der Zeit T07 bis zu der Zeit T08 die Schaltung 540[q] als Stromquelle festgelegt worden ist, die den Strom ICP[q] zuführen kann. Auf ähnliche Weise hält in dem Fall, in dem der Strom I[q+1], der durch die Leitung BL[q+1] fließt, niedriger ist als der Strom IREF, der durch die Leitung BLREF fließt, d. h. in dem Fall, in dem der Strom ΔI[q+1] einen positiven Wert aufweist, das Potential des Gates des Transistors Tr24 in der Schaltung 530[q+1] einen Wert, der im Wesentlichen demjenigen des Potentials VDD gleicht, da von der Zeit T07 bis zu der Zeit T08 die Schaltung 540[q+1] als Stromquelle festgelegt worden ist, die den Strom ICP[q+1] zuführen kann.
Dann wird von der Zeit T11 bis zu der Zeit T12 das zweite analoge Potential Vw[p] an die Leitung RW[p] angelegt, die in 10 dargestellt ist. Des Weiteren wird ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD, z. B. das Potential (VDD+VSS)/2, noch als Basispotential an die Leitung RW[p+1] angelegt. In der Praxis ist das Potential der Leitung RW[p] ein Potential, das um die Potentialdifferenz Vw[p] höher ist als das Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD (z. B. das Potential (VDD+VSS)/2), das ein Basispotential ist; es wird jedoch zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, dass das Potential der Leitung RW[p] das zweite analoge Potential Vw[p] ist.
Wenn das Potential der Leitung RW[p] zu dem zweiten analogen Potential Vw[p] wird, wird in der Annahme, dass der Änderungsbetrag des Potentials der ersten Elektrode des Kondensators C11 im Wesentlichen dem Änderungsbetrag des Potentials des Knotens N gleicht, das Potential des Knotens N[p, q] in der Speicherzelle MC[p, q], die in 10 dargestellt ist, zu VPR-Vx[p, q]+Vw[p] und wird das Potential des Knotens N[p, q+1] in der Speicherzelle MC[p, q+1] zu VPR-Vx[p, q+1]+Vw[p]. Gemäß der Formel 6 beeinflusst die Produkt-Summe der ersten analogen Daten und der zweiten analogen Daten für die Speicherzelle MC[p, q] den Strom, der erhalten wird, indem der Strom Ioffset[q] von dem Strom ΔI[q] subtrahiert wird, d. h. den Strom lout[q], der aus der Leitung BL[q] fließt. Des Weiteren beeinflusst die Produkt-Summe der ersten analogen Daten und der zweiten analogen Daten für die Speicherzelle MC[p, q+1] einen Strom, der erhalten wird, indem der Strom Ioffset[q+1] von dem Strom ΔI[q+1] subtrahiert wird, d. h. einen Strom Iout[q+1], der aus der Leitung BL[q+1] fließt.
Nach der Zeit T12 wird wieder ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD (z. B. das Potential (VDD+VSS)/2), das ein Basispotential ist, an die Leitung RW[p] angelegt.
Dann wird von der Zeit T13 bis zu der Zeit T14 das zweite analoge Potential Vw[p+1] an die Leitung RW[p+1] angelegt, die in 10 dargestellt ist. Des Weiteren wird ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD, z. B. das Potential (VDD+VSS)/2, noch als Basispotential an die Leitung RW[p] angelegt. In der Praxis ist das Potential der Leitung RW[p+1] ein Potential, das um die Potentialdifferenz Vw[p+1] höher ist als das Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD (z. B. das Potential (VDD+VSS)/2), das ein Basispotential ist; es wird jedoch zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, dass das Potential der Leitung RW[p+1] das zweite analoge Potential Vw[p+1] ist.
Wenn das Potential der Leitung RW[p+1] zu dem zweiten analogen Potential Vw[p+1] wird, wird in der Annahme, dass der Änderungsbetrag des Potentials der ersten Elektrode des Kondensators C11 im Wesentlichen dem Änderungsbetrag des Potentials des Knotens N gleicht, das Potential des Knotens N[p+1, q] in der Speicherzelle MC[p+1, q], die in 10 dargestellt ist, zu VPR-Vx[p+1, g]+Vw[p+1] und wird das Potential des Knotens N[p+1, q+1] in der Speicherzelle MC[p+1, q+1] zu VPR-Vx[p+1, q+1]+Vw[p+1]. Gemäß der Formel 6 beeinflusst die Produkt-Summe der ersten analogen Daten und der zweiten analogen Daten für die Speicherzelle MC[p+1, q] den Strom, der erhalten wird, indem der Strom loffset[q] von dem Strom ΔI[q] subtrahiert wird, d. h. den Strom lout[q]. Des Weiteren beeinflusst die Produkt-Summe der ersten analogen Daten und der zweiten analogen Daten für die Speicherzelle MC[p+1, q+1] einen Strom, der erhalten wird, indem der Strom Ioffset[q+1] von dem Strom ΔI[q+1] subtrahiert wird, d. h. einen Strom Iout[q+1].
Nach der Zeit T14 wird wieder ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD (z. B. das Potential (VDD+VSS)/2), das ein Basispotential ist, an die Leitung RW[p+1] angelegt.
Dann wird von der Zeit T15 bis zu der Zeit T16 das zweite analoge Potential Vw[p] an die Leitung RW[p] angelegt, die in 10 dargestellt ist, und das zweite analoge Potential Vw[p+1] wird an die Leitung RW[p+1] angelegt. In der Praxis ist das Potential der Leitung RW[p] ein Potential, das um die Potentialdifferenz Vw[p] höher ist als das Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD (z. B. das Potential (VDD+VSS)/2), das ein Basispotential ist, und das Potential der Leitung RW[p+1] ist ein Potential, das um die Potentialdifferenz Vw[p+1] höher ist als das Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD (z. B. das Potential (VDD+VSS)/2), das ein Basispotential ist; es wird jedoch zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, dass das Potential der Leitung RW[p] das zweite analoge Potential Vw[p] ist und dass das Potential der Leitung RW[p+1] das zweite analoge Potential Vw[p+1] ist.
Wenn das Potential der Leitung RW[p] zu dem zweiten analogen Potential Vw[p] wird, wird in der Annahme, dass der Änderungsbetrag des Potentials der ersten Elektrode des Kondensators C11 im Wesentlichen dem Änderungsbetrag des Potentials des Knotens N gleicht, das Potential des Knotens N[p, q] in der Speicherzelle MC[p, q], die in 10 dargestellt ist, zu VPR-Vx[p, q]+Vw[p] und wird das Potential des Knotens N[p, q+1] in der Speicherzelle MC[p, q+1] zu VPR-Vx[p, q+1]+Vw[p]. Wenn das Potential der Leitung RW[p+1] zu dem zweiten analogen Potential Vw[p+1] wird, wird in der Annahme, dass der Änderungsbetrag des Potentials der ersten Elektrode des Kondensators C11 im Wesentlichen dem Änderungsbetrag des Potentials des Knotens N gleicht, ferner das Potential des Knotens N[p+1, q] in der Speicherzelle MC[p+1, q], die in 10 dargestellt ist, zu VPR-Vx[p+1, g]+Vw[p+1] und wird das Potential des Knotens N[p+1, q+1] in der Speicherzelle MC[p+1, q+1] zu VPR-Vx[p+1, q+1]+Vw[p+1].
Gemäß der Formel 6 beeinflusst die Produkt-Summe der ersten analogen Daten und der zweiten analogen Daten für die Speicherzelle MC[p, q] und die Speicherzelle MC[p+1, q] den Strom, der erhalten wird, indem der Strom loffset[q] von dem Strom ΔI[q] subtrahiert wird, d. h. den Strom lout[q]. Des Weiteren beeinflusst die Produkt-Summe der ersten analogen Daten und der zweiten analogen Daten für die Speicherzelle MC[p, q+1] und die Speicherzelle MC[p+1, q+1] einen Strom, der erhalten wird, indem der Strom Ioffset[q+1] von dem Strom ΔI[q+1] subtrahiert wird, d. h. einen Strom Iout[q+1].
Nach der Zeit T16 wird wieder ein Potential zwischen dem Potential VSS und dem Potential VDD (z. B. das Potential (VDD+VSS)/2), das ein Basispotential ist, an die Leitung RW[p] und die Leitung RW[p+1] angelegt.
Bei der vorstehenden Konfiguration kann die Produkt-Summen-Operation mit einer kleinen Schaltungsgröße durchgeführt werden. Bei der vorstehenden Konfiguration kann die Produkt-Summen-Operation mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Bei der vorstehenden Konfiguration kann die Produkt-Summen-Operation mit einem niedrigen Strom durchgeführt werden.
Es sei angemerkt, dass ein Transistor mit einem sehr niedrigen Sperrstrom vorzugsweise als Transistor Tr12, Tr22, Tr23, Tr25 oder Tr26 verwendet wird. Wenn ein Transistor mit einem sehr niedrigen Sperrstrom als Transistor Tr12 verwendet wird, kann das Potential des Knotens N lange Zeit gehalten werden. Wenn ein Transistor mit einem sehr niedrigen Sperrstrom als Transistoren Tr22 und Tr23 verwendet wird, kann das Potential des Gates des Transistors Tr21 lange Zeit gehalten werden. Wenn ein Transistor mit einem sehr niedrigen Sperrstrom als Transistoren Tr25 und Tr26 verwendet wird, kann das Potential des Gates des Transistors Tr24 lange Zeit gehalten werden.
Als Transistor mit einem sehr geringen Sperrstrom kann ein OS-Transistor verwendet werden. Der durch die Kanalbreite normierte Sperrstrom eines OS-Transistors kann bei einer Source-Drain-Spannung von 10 V und bei Raumtemperatur (ungefähr 25 °C) niedriger als oder gleich 10 × 10^-21 A/µm (10 zA/µm) sein.
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann die Produkt-Summen-Operation bei dem neuronalen Netz NN durchgeführt werden.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer Beschreibung der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
(Ausführungsform 4)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Strukturbeispiel eines OS-Transistors, der bei der vorstehenden Ausführungsform verwendet werden kann, beschrieben.
<Strukturbeispiel eines Transistors>
13(A) ist eine Draufsicht, die ein Strukturbeispiel eines Transistors darstellt. 13(B) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie X1-X2 in 13(A), und 13(C) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie Y1-Y2. In einigen Fällen wird die Richtung der Linie X1-X2 als Kanallängsrichtung bezeichnet, und die Richtung der Linie Y1-Y2 wird als Kanalquerrichtung bezeichnet. 13(B) stellt eine Querschnittsstruktur des Transistors in der Kanallängsrichtung dar, und 13(C) stellt eine Querschnittsstruktur des Transistors in der Kanalquerrichtung dar. Es sei angemerkt, dass der Klarheit der Bauteilstruktur halber 13(A) einige Komponenten nicht darstellt.
Die Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet Isolierschichten 812 bis 820, Metalloxidfilme 821 bis 824 und leitende Schichten 850 bis 853. Ein Transistor 801 ist über einer isolierenden Oberfläche ausgebildet. 13 stellt den Fall dar, in dem der Transistor 801 über einer Isolierschicht 811 ausgebildet ist. Der Transistor 801 ist mit der Isolierschicht 818 und der Isolierschicht 819 bedeckt.
Es sei angemerkt, dass die Isolierschichten, die Metalloxidfilme, die leitenden Schichten und dergleichen, die in dem Transistor 801 enthalten sind, jeweils eine Einzelschicht oder eine Schichtanordnung, die eine Vielzahl von Filmen beinhaltet, sein können. Sie können durch eines der unterschiedlichen Abscheidungsverfahren, wie z. B. ein Sputterverfahren, ein Molekularstrahlepitaxie- (MBE-) Verfahren, ein Pulslaserabscheidungs- (PLA-) Verfahren, ein CVD-Verfahren oder ein Atomlagenabscheidungs- (ALD-) Verfahren, ausgebildet werden. Es sei angemerkt, dass Beispiele für das CVD-Verfahren ein plasmaunterstütztes CVD-Verfahren, ein thermisches CVD-Verfahren und ein metallorganisches CVD-Verfahren umfassen.
Die leitende Schicht 850 weist einen Bereich auf, der als Gate-Elektrode des Transistors 801 dient. Die leitende Schicht 850 kann eine Schichtanordnung aus der leitenden Schicht 850a und der leitenden Schicht 850b sein, die aus voneinander unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden. Die leitende Schicht 851 und die leitende Schicht 852 weisen Bereiche auf, die als Source-Elektrode und Drain-Elektrode dienen. Die leitende Schicht 853 weist einen Bereich auf, der als Rückgate-Elektrode dient. Die leitende Schicht 853 kann eine Schichtanordnung aus der leitenden Schicht 853a und der leitenden Schicht 853b sein, die aus voneinander unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden. Die Isolierschicht 817 weist einen Bereich auf, der als Gate-Isolierschicht auf der Seite der Gate-Elektrode (Vordergate-Elektrode) dient, und eine Isolierschicht, die eine Schichtanordnung aus den Isolierschichten 814 bis 816 ist, weist einen Bereich auf, der als Gate-Isolierschicht auf der Seite der Rückgate-Elektrode dient. Die Isolierschicht 818 dient als isolierende Zwischenschicht. Die Isolierschicht 819 dient als Sperrfilm.
Die Metalloxidfilme 821 bis 824 werden insgesamt als Oxidschicht 830 bezeichnet. Wie in 13(B) und 13(C) dargestellt, weist die Oxidschicht 830 einen Bereich auf, in dem der Metalloxidfilm 821, der Metalloxidfilm 822 und der Metalloxidfilm 824 in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind. Des Weiteren ist ein Paar von Metalloxidfilmen 823 über der leitenden Schicht 851 und der leitenden Schicht 852 positioniert. Wenn der Transistor 801 eingeschaltet wird, wird ein Kanalbildungsbereich hauptsächlich in dem Metalloxidfilm 822 der Oxidschicht 830 gebildet.
Der Metalloxidfilm 824 bedeckt die Metalloxidfilme 821 bis 823, die leitende Schicht 851 und die leitende Schicht 852. Die Isolierschicht 817 ist zwischen dem Metalloxidfilm 823 und der leitenden Schicht 850 positioniert. Die leitenden Schichten 851 und 852 weisen jeweils einen Bereich auf, der sich mit der leitenden Schicht 850 überlappt, wobei der Metalloxidfilm 823, der Metalloxidfilm 824 und die Isolierschicht 817 dazwischen positioniert sind.
Die leitenden Schichten 851 und 852 werden aus einer Hartmaske ausgebildet, die beim Ausbilden der Metalloxidfilme 821 und 822 verwendet wird. Dementsprechend weisen die leitenden Schichten 851 und 852 keinen Bereich auf, der in Kontakt mit den Seitenflächen der Metalloxidfilme 821 und 822 ist. Beispielsweise können die Metalloxidfilme 821 und 822 sowie die leitenden Schichten 851 und 852 durch die folgenden Schritte ausgebildet werden. Zuerst wird ein leitender Film über einem Metalloxidfilm, der eine Schichtanordnung aus zwei Schichten beinhaltet, ausgebildet. Der leitende Film wird zu einer gewünschten Form verarbeitet (geätzt), so dass eine Hartmaske ausgebildet wird. Die Hartmaske wird zum Verarbeiten der Form des zweischichtigen Metalloxidfilms verwendet, wodurch die übereinander angeordneten Metalloxidfilme 821 und 822 ausgebildet werden. Als Nächstes wird die Hartmaske zu einer gewünschten Form verarbeitet, wodurch die leitenden Schichten 851 und 852 ausgebildet werden.
Beispiele für ein Isoliermaterial, das für die Isolierschichten 811 bis 818 verwendet wird, umfassen Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitridoxid, Aluminiumoxynitrid, Magnesiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumnitridoxid, Siliziumoxynitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid und Aluminiumsilikat. Die Isolierschichten 811 bis 818 werden unter Verwendung einer Einzelschicht oder einer Schichtanordnung, die ein beliebiges dieser Isoliermaterialien enthält, ausgebildet. Die Schichten, die als Isolierschichten 811 bis 818 verwendet werden, können eine Vielzahl von Isoliermaterialien enthalten.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet Oxynitrid eine Verbindung, bei der der Sauerstoffgehalt höher ist als der Stickstoffgehalt, und Nitridoxid bezeichnet eine Verbindung, bei der der Stickstoffgehalt höher ist als der Sauerstoffgehalt.
Um eine Zunahme der Sauerstofffehlstellen in der Oxidschicht 830 zu unterdrücken, enthalten die Isolierschichten 816 bis 818 vorzugsweise Sauerstoff. Bevorzugter werden die Isolierschichten 816 bis 818 unter Verwendung eines Isolierfilms ausgebildet, von dem Sauerstoff durch Erwärmen freigesetzt wird (im Folgenden wird auch als „Isolierfilm, der überschüssigen Sauerstoff enthält“ bezeichnet). Wenn Sauerstoff von dem Isolierfilm, der überschüssigen Sauerstoff enthält, der Oxidschicht 830 zugeführt wird, können die Sauerstofffehlstellen in der Oxidschicht 830 kompensiert werden. Als Ergebnis können die Zuverlässigkeit und elektrische Eigenschaften des Transistors 801 verbessert werden.
Die Isolierschicht, die überschüssigen Sauerstoff enthält, ist ein Film, von dem Sauerstoffmoleküle von mehr als oder gleich 1,0 × 10¹⁸ Moleküle/cm³ bei einer thermischen Desorptionsspektroskopie (TDS) bei einer Oberflächentemperatur des Films von höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 700 °C, oder höher als oder gleich 100 °C und niedriger als oder gleich 500 °C freigesetzt werden. Die Anzahl der freigesetzten Sauerstoffmoleküle ist vorzugsweise mehr als oder gleich 3,0 × 10²⁰ Moleküle/cm³.
Der Isolierfilm, der überschüssigen Sauerstoff enthält, kann durch eine Behandlung zum Zusetzen von Sauerstoff zu einem Isolierfilm ausgebildet werden. Die Behandlung zum Zusetzen von Sauerstoff kann durch eine Wärmebehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre, ein Ionenimplantationsverfahren, ein lonendotierungsverfahren, ein Plasmaimmersions-Ionenimplantationsverfahren, eine Plasmabehandlung oder dergleichen durchgeführt werden. Als Gas zum Zusetzen von Sauerstoff kann ein Sauerstoffgas von ¹⁶O₂, ¹⁸O₂ oder dergleichen, ein Distickstoffoxidgas, ein Ozongas oder dergleichen verwendet werden.
Die Wasserstoffkonzentration in den Isolierschichten 812 bis 819 ist vorzugsweise niedrig, um eine Erhöhung der Wasserstoffkonzentration in der Oxidschicht 830 zu verhindern. Insbesondere ist die Wasserstoffkonzentration in den Isolierschichten 813 bis 818 vorzugsweise niedrig. Im Besonderen ist die Wasserstoffkonzentration niedriger als oder gleich 2 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugter niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³.
Die Wasserstoffkonzentration wird mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) gemessen.
Bei dem Transistor 801 wird die Oxidschicht 830 vorzugsweise von einer Isolierschicht mit Sperreigenschaften gegen Sauerstoff und Wasserstoff umschlossen (im Folgenden wird auch als Sperrfilm bezeichnet). Bei einer derartigen Struktur können eine Sauerstoffabgabe von der Oxidschicht 830 und ein Eindringen von Wasserstoff in die Oxidschicht 830 verhindert werden. Als Ergebnis können die Zuverlässigkeit und elektrische Eigenschaften des Transistors 801 verbessert werden.
Beispielsweise dient die Isolierschicht 819 als Sperrfilm und mindestens eine der Isolierschichten 811, 812 und 814 dient als Sperrfilm. Der Sperrfilm kann unter Verwendung eines Materials, wie z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid, Galliumoxid, Galliumoxynitrid, Yttriumoxid, Yttriumoxynitrid, Hafniumoxid, Hafniumoxynitrid oder Siliziumnitrid, ausgebildet werden.
Ein Strukturbeispiel der Isolierschichten 811 bis 819 wird beschrieben. In diesem Beispiel dient jede der Isolierschichten 811, 812, 815 und 819 als Sperrfilm. Die Isolierschichten 816 bis 818 sind Oxidschichten, die überschüssigen Sauerstoff enthalten. Die Isolierschicht 811 wird unter Verwendung von Siliziumnitrid ausgebildet. Die Isolierschicht 812 wird unter Verwendung von Aluminiumoxid ausgebildet. Die Isolierschicht 813 wird unter Verwendung von Siliziumoxynitrid ausgebildet. Die Isolierschichten 814 bis 816, die als Gate-Isolierschichten auf der Seite der Rückgate-Elektrode dienen, werden unter Verwendung einer Schichtanordnung, die Siliziumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid enthält, ausgebildet. Die Isolierschicht 817, die als Gate-Isolierschicht auf der Seite des Vordergates dient, wird unter Verwendung von Siliziumoxynitrid ausgebildet. Die Isolierschicht 818, die als isolierende Zwischenschicht dient, wird unter Verwendung von Siliziumoxid ausgebildet. Die Isolierschicht 819 wird unter Verwendung von Aluminiumoxid ausgebildet.
Beispiele für ein leitendes Material, das für die leitenden Schichten 850 bis 853 verwendet wird, umfassen ein Metall, wie z. B. Molybdän, Titan, Tantal, Wolfram, Aluminium, Kupfer, Chrom, Neodym oder Scandium; und ein Metallnitrid, das ein beliebiges der vorstehenden Metalle als seine Komponente enthält (z. B. Tantalnitrid, Titannitrid, Molybdännitrid oder Wolframnitrid). Ein leitendes Material, wie z. B. Indiumzinnoxid, Indiumoxid, das Wolframoxid enthält, Indiumzinkoxid, das Wolframoxid enthält, Indiumoxid, das Titanoxid enthält, Indiumzinnoxid, das Titanoxid enthält, Indiumzinkoxid oder Indiumzinnoxid, dem Siliziumoxid zugesetzt worden ist, kann verwendet werden.
Ein Strukturbeispiel der leitenden Schichten 850 bis 853 wird beschrieben. Die leitende Schicht 850 ist eine Einzelschicht aus Tantalnitrid oder Wolfram. Die leitende Schicht 850 ist alternativ eine Schichtanordnung aus Tantalnitrid, Tantal und Tantalnitrid. Die leitende Schicht 851 ist eine Einzelschicht aus Tantalnitrid, oder eine Schichtanordnung, die Tantalnitrid und Wolfram enthält. Die Struktur der leitenden Schicht 852 ist gleich derjenigen der leitenden Schicht 851. Die leitende Schicht 853 ist ein Einzelschicht aus Tantalnitrid oder eine Schichtanordnung, die Tantalnitrid und Wolfram enthält.
Um den Sperrstrom des Transistors 801 zu verringern, ist beispielsweise die Energielücke des Metalloxidfilms 822 vorzugsweise groß. Die Energielücke des Metalloxidfilms 822 ist größer als oder gleich 2,5 eV und kleiner als oder gleich 4,2 eV, bevorzugt größer als oder gleich 2,8 eV und kleiner als oder gleich 3,8 eV, bevorzugter größer als oder gleich 3 eV und kleiner als oder gleich 3,5 eV.
Die Oxidschicht 830 weist vorzugsweise eine Kristallinität auf. Mindestens der Metalloxidfilm 822 weist vorzugsweise eine Kristallinität auf. Mit der vorstehend beschriebenen Struktur kann der Transistor 801 eine hohe Zuverlässigkeit und vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweisen.
Als Oxid des Metalloxidfilms 822 kann beispielsweise ein In-Ga-Oxid, ein In-Zn-Oxid oder ein In-M-Zn-Oxid (M ist Al, Ga, Y oder Sn) verwendet werden. Der Metalloxidfilm 822 ist nicht auf die Oxidschicht beschränkt, die Indium enthält. Der Metalloxidfilm 822 kann beispielsweise unter Verwendung eines Zn-Sn-Oxids, eines Ga-Sn-Oxids oder eines Zn-Mg-Oxids ausgebildet werden. Die Metalloxidfilme 821, 823 und 824 können unter Verwendung eines Oxids, das dem Oxid des Metalloxidfilms 822 ähnlich ist, ausgebildet werden. Insbesondere kann jeder der Metalloxidfilme 821, 823 und 824 aus einem Ga-Oxid ausgebildet werden.
Wenn ein Grenzflächenzustand an der Grenzfläche zwischen dem Metalloxidfilm 822 und dem Metalloxidfilm 821 gebildet wird, wird ein Kanalbildungsbereich auch in der Nähe der Grenzfläche gebildet, was eine Veränderung der Schwellenspannung des Transistors 801 verursacht. Der Metalloxidfilm 821 beinhaltet vorzugsweise als seine Komponente mindestens eines der Metallelemente, die in dem Metalloxidfilm 822 enthalten sind. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass ein Grenzflächenzustand an der Grenzfläche zwischen dem Metalloxidfilm 822 und dem Metalloxidfilm 821 gebildet wird, und es können Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des Transistors 801, wie z. B. der Schwellenspannung, verringert werden.
Der Metalloxidfilm 824 beinhaltet vorzugsweise als seine Komponente mindestens eines der Metallelemente, die in dem Metalloxidfilm 822 enthalten sind. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Grenzflächenstreuung an der Grenzfläche zwischen dem Metalloxidfilm 822 und dem Metalloxidfilm 824 auftritt und dass die Ladungsträgerübertragung gehemmt wird, und dementsprechend kann die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors 801 erhöht werden.
Unter den Metalloxidfilmen 821 bis 824 weist der Metalloxidfilm 822 vorzugsweise die höchste Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Demzufolge kann ein Kanal in dem Metalloxidfilm 822 gebildet werden, der sich von den Isolierschichten 816 und 817 entfernt befindet.
Beispielsweise kann bei einem In enthaltenden Metalloxid, wie z. B. einem In-M-Zn-Oxid, die Ladungsträgerbeweglichkeit durch eine Erhöhung des In-Gehalts erhöht werden. Ein Oxid mit einem hohen Indiumgehalt weist eine höhere Beweglichkeit auf als ein Oxid mit einem niedrigen Indiumgehalt. Deshalb wird ein Oxid mit einem hohen Indiumgehalt für den Metalloxidfilm verwendet, so dass die Ladungsträgerbeweglichkeit erhöht werden kann.
Folglich wird beispielsweise der Metalloxidfilm 822 unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxids ausgebildet, und die Metalloxidfilme 821 und 823 werden unter Verwendung eines Ga-Oxids ausgebildet. Wenn die Metalloxidfilme 821 bis 823 beispielsweise unter Verwendung eines In-M-Zn-Oxids ausgebildet werden, wird der In-Gehalt des Metalloxidfilms 822 höher als der In-Gehalt der Metalloxidfilme 821 und 823. In dem Fall, in dem das In-M-Zn-Oxid durch ein Sputterverfahren ausgebildet wird, kann der In-Gehalt durch eine Veränderung des Atomverhältnisses der Metallelemente eines Targets verändert werden.
Beispielsweise ist das Atomverhältnis von Metallelementen eines Targets, das zur Abscheidung des Metalloxidfilms 822 verwendet wird, vorzugsweise In:M:Zn = 1:1:1, 3:1:2 oder 4:2:4,1. Beispielsweise ist das Atomverhältnis von Metallelementen eines Targets, das zur Abscheidung der Metalloxidfilme 821 bis 823 verwendet wird, vorzugsweise In:M:Zn = 1:3:2 oder 1:3:4. Das Atomverhältnis eines In-M-Zn-Oxids, das unter Verwendung eines Targets von In:M:Zn = 4:2:4,1 abgeschieden wird, ist ungefähr In:M:Zn = 4:2:3.
Damit der Transistor 801 stabile elektrische Eigenschaften aufweist, wird vorzugsweise die Verunreinigungskonzentration in der Oxidschicht 830 verringert. In dem Metalloxid handelt es sich bei Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium und einem anderen Metallelement als eine Hauptkomponente um Verunreinigungen. Wasserstoff und Stickstoff bilden beispielsweise Donatorniveaus, was die Ladungsträgerdichte erhöht. Außerdem bilden Silizium und Kohlenstoff Verunreinigungszustände in dem Metalloxid. Die Verunreinigungszustände dienen als Einfangstellen und könnten elektrische Eigenschaften des Transistors verschlechtern.
Die Oxidschicht 830 beinhaltet beispielsweise einen Bereich, in dem die Siliziumkonzentration niedriger als oder gleich 2 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 2 × 10¹⁷ Atome/cm³ ist. Das Gleiche gilt auch für die Kohlenstoffkonzentration in der Oxidschicht 830.
Die Oxidschicht 830 beinhaltet einen Bereich, in dem die Alkalimetallkonzentration niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 2 × 10¹⁶ Atome/cm³ ist. Das Gleiche gilt auch für die Erdalkalimetallkonzentration in der Oxidschicht 830.
Die Oxidschicht 830 beinhaltet einen Bereich, in dem die Wasserstoffkonzentration niedriger als 1 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugter niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ ist.
Die vorstehenden Verunreinigungskonzentrationen in der Oxidschicht 830 werden durch SIMS gemessen.
In dem Fall, in dem der Metalloxidfilm 822 Sauerstofffehlstellen enthält, werden in einigen Fällen Donatorzustände gebildet, indem Wasserstoff die Gitterplätze von Sauerstofffehlstellen besetzt. Die Sauerstofffehlstelle ist ein Faktor für die Abnahme des Durchlassstroms des Transistors 801. Es sei angemerkt, dass die Gitterplätze der Sauerstofffehlstellen stabiler werden, wenn sie von Sauerstoff eingenommen werden, als wenn sie von Wasserstoff eingenommen werden. Deshalb kann in einigen Fällen der Durchlassstrom des Transistors 801 erhöht werden, indem Sauerstofffehlstellen in dem Metalloxidfilm 822 verringert werden. Folglich ist es bei der Verbesserung der Durchlassstromeigenschaften wirksam, zu verhindern, dass Wasserstoff die Gitterplätze der Sauerstofffehlstellen besetzt, indem Wasserstoff in dem Metalloxidfilm 822 verringert wird.
Wasserstoff, der in einem Metalloxid enthalten ist, reagiert mit Sauerstoff, der an ein Metallatom gebunden ist, zu Wasser, was in einigen Fällen eine Sauerstofffehlstelle verursacht. Infolge des Eindringens von Wasserstoff in die Sauerstofffehlstelle wird in einigen Fällen ein Elektron, das als Ladungsträger dient, erzeugt. In einigen Fällen verursacht ferner eine Bindung eines Teils von Wasserstoff an Sauerstoff, der an ein Metallatom gebunden ist, die Erzeugung eines Elektrons, das als Ladungsträger dient. Daher ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass sich der Transistor 801 selbstleitend verhält, wenn der Metalloxidfilm 822 Wasserstoff enthält, da in dem Metalloxidfilm 822 ein Kanalbildungsbereich bereitgestellt ist. Folglich wird der Wasserstoff in dem Metalloxidfilm 822 vorzugsweise so weit wie möglich verringert.
Es sei angemerkt, dass der Metalloxidfilm 822 in einem Bereich, der in Kontakt mit der leitenden Schicht 851 oder der leitenden Schicht 852 ist, einen n-Typ-Bereich 822n beinhalten kann. Der Bereich 822n wird durch ein Phänomen, bei dem Sauerstoff in dem Metalloxidfilm 822 von der leitenden Schicht 851 oder der leitenden Schicht 852 extrahiert wird, ein Phänomen, bei dem ein leitendes Material in der leitenden Schicht 851 oder der leitenden Schicht 852 an ein Element in dem Metalloxidfilm 822 gebunden wird, oder dergleichen gebildet. Wenn der Bereich 822n ausgebildet wird, kann der Kontaktwiderstand zwischen der leitenden Schicht 851 oder der leitenden Schicht 852 und dem Metalloxidfilm 822 verringert werden.
13 stellt ein Beispiel dar, in dem die Oxidschicht 830 eine vierschichtige Struktur aufweist; jedoch ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Oxidschicht 830 kann beispielsweise eine dreischichtige Struktur ohne den Metalloxidfilm 821 oder ohne den Metalloxidfilm 823 aufweisen. Alternativ kann die Oxidschicht 830 einen oder mehrere Metalloxidfilm/e, der/die den Metalloxidfilmen 821 bis 824 ähnlich ist/sind, an zwei oder mehreren der folgenden Positionen enthalten: zwischen gegebenen Schichten in der Oxidschicht 830, über der Oxidschicht 830 und unter der Oxidschicht 830.
Effekte der Schichtanordnung, die die Metalloxidfilme 821, 822 und 824 beinhaltet, werden anhand von 14 beschrieben. 14 ist eine schematische Ansicht, die die Energiebandstruktur eines Kanalbildungsbereichs des Transistors 801 zeigt.
In 14 stehen Ec816e, Ec821e, Ec822e, Ec824e und Ec817e für die Energie der jeweiligen Leitungsbandminima der Isolierschicht 816, des Metalloxidfilms 821, des Metalloxidfilms 822, des Metalloxidfilms 824 und der Isolierschicht 817.
Hier entspricht die Energiedifferenz zwischen dem Vakuumniveau und dem Leitungsbandminimum (auch als „Elektronenaffinität“ bezeichnet) einem Wert, der durch Abziehen einer Energielücke von der Energiedifferenz zwischen dem Vakuumniveau und dem Valenzbandmaximum (auch als Ionisierungspotential bezeichnet) ermittelt wird. Die Energielücke kann mittels eines spektroskopischen Ellipsometers (UT-300, HORIBA JOBIN YVON S.A.S.) gemessen werden. Die Energiedifferenz zwischen dem Vakuumniveau und dem Valenzbandmaximum kann mittels eines Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie- (UPS-) Geräts (VersaProbe, ULVAC-PHI, Inc.) gemessen werden.
Da es sich bei den Isolierschichten 816 und 817 um Isolatoren handelt, liegen Ec816e und Ec817e näher am Vakuumniveau als Ec821e, Ec822e und Ec824e (d. h., dass die Isolierschichten 816 und 817 niedrige Elektronenaffinitäten aufweisen).
Der Metalloxidfilm 822 weist eine höhere Elektronenaffinität auf als die Metalloxidfilme 821 und 824. Beispielsweise sind die Differenz der Elektronenaffinität zwischen den Metalloxidfilmen 822 und 821 sowie die Differenz der Elektronenaffinität zwischen den Metalloxidfilmen 822 und 824 jeweils mehr als oder gleich 0,07 eV und weniger als oder gleich 1,3 eV. Die Differenzen der Elektronenaffinität sind jeweils bevorzugt mehr als oder gleich 0,1 eV und weniger als oder gleich 0,7 eV, bevorzugter mehr als oder gleich 0,15 eV und weniger als oder gleich 0,4 eV. Es sei angemerkt, dass sich die Elektronenaffinität auf eine Energiedifferenz zwischen dem Vakuumniveau und dem Leitungsbandminimum bezieht.
Wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode (die leitende Schicht 850) des Transistors 801 angelegt wird, wird ein Kanal hauptsächlich in dem Metalloxidfilm 822 gebildet, der unter den Metalloxidfilmen 821, 822 und 824 die höchste Elektronenaffinität aufweist.
Ein Indium-Gallium-Oxid weist eine niedrige Elektronenaffinität und eine hohe Sauerstoff blockierende Eigenschaft auf. Deshalb enthält der Metalloxidfilm 824 vorzugsweise ein Indium-Gallium-Oxid. Der Anteil an Galliumatomen [Ga/(ln+Ga)] ist beispielsweise höher als oder gleich 70 %, bevorzugt höher als oder gleich 80 %, bevorzugter höher als oder gleich 90 %.
Zwischen den Metalloxidfilmen 821 und 822 gibt es in einigen Fällen einen gemischten Bereich aus den Metalloxidfilmen 821 und 822. Zwischen den Metalloxidfilmen 824 und 822 gibt es ferner in einigen Fällen einen gemischten Bereich aus den Metalloxidfilmen 824 und 822. Da der gemischte Bereich eine niedrige Grenzflächenzustandsdichte aufweist, weist ein Bereich mit einer Schichtanordnung, die aus den Metalloxidfilmen 821, 822 und 824 ausgebildet ist, eine Bandstruktur, bei der sich die Energie an jeder Grenzfläche und in der Nähe der Grenzfläche stetig verändert (einen stetigen Übergang), auf.
Elektronen bewegen sich hauptsächlich durch den Metalloxidfilm 822 in der Oxidschicht 830 mit einer derartigen Energiebandstruktur. Deshalb ist es selbst dann, wenn ein Grenzflächenzustand an der Grenzfläche zwischen dem Metalloxidfilm 821 und der Isolierschicht 816 oder der Grenzfläche zwischen dem Metalloxidfilm 824 und der Isolierschicht 817 existiert, weniger wahrscheinlich, dass die Elektronenbewegung in der Oxidschicht 830 gehemmt wird, und es kann der Durchlassstrom des Transistors 801 erhöht werden.
Obwohl sich, wie in 14 dargestellt, Einfangzustände Et826e und Et827e auf Grund von Verunreinigungen oder Defekten in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Metalloxidfilm 821 und der Isolierschicht 816 sowie in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Metalloxidfilm 824 und der Isolierschicht 817 bilden könnten, kann sich der Metalloxidfilm 822 dank des Vorhandenseins der Metalloxidfilme 821 und 824 entfernt von den Einfangzuständen Et826e und Et827e befinden.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn eine Differenz zwischen Ec821 e und Ec822e klein ist, ein Elektron in dem Metalloxidfilm 822 über die Energiedifferenz hinüber den Einfangzustand Et826e erreichen könnte. Da das Elektron von dem Einfangzustand Et826e eingefangen wird, wird eine negative Festladung an der Grenzfläche zu dem Isolierfilm erzeugt, was dazu führt, dass sich die Schwellenspannung des Transistors in positiver Richtung verschiebt. Das Gleiche gilt auch für den Fall, in dem eine Energiedifferenz zwischen Ec822e und Ec824e klein ist.
Die Energiedifferenz zwischen Ec821e und Ec822e und die Energiedifferenz zwischen Ec824e und Ec822e sind jeweils bevorzugt größer als oder gleich 0,1 eV, bevorzugter größer als oder gleich 0,15 eV, so dass eine Veränderung der Schwellenspannung des Transistors 801 verringert werden kann und der Transistor 801 vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweisen kann.
Es sei angemerkt, dass der Transistor 801 nicht notwendigerweise eine Rückgate-Elektrode beinhalten muss.
<Beispiel für die mehrschichtige Struktur>
Als Nächstes wird die Struktur einer Halbleitervorrichtung beschrieben, die von einer Schichtanordnung aus einem OS-Transistor und einem anderen Transistor ausgebildet ist.
15 stellt ein Beispiel für eine mehrschichtige Struktur einer Halbleitervorrichtung 860 dar, bei der ein Transistor Tr100, der ein Si-Transistor ist, ein Transistor Tr200, der ein OS-Transistor ist, und ein Kondensator C100 übereinander angeordnet sind.
Die Halbleitervorrichtung 860 beinhaltet eine Schichtanordnung, die eine CMOS-Schicht 871, Leitungsschichten W₁ bis W₅ , eine Transistorschicht 872 und Leitungsschichten W₆ und W₇ beinhaltet.
Der Transistor Tr100 ist in der CMOS-Schicht 871 bereitgestellt. Ein Kanalbildungsbereich des Transistors Tr100 ist in einem einkristallinen Siliziumwafer 870 bereitgestellt. Eine Gate-Elektrode 873 des Transistors Tr100 ist über die Leitungsschichten W₁ bis W₅ mit einer Elektrode 875 des Kondensators C100 verbunden.
Der Transistor Tr200 ist in der Transistorschicht 872 bereitgestellt. In 15 weist der Transistor Tr200 eine ähnliche Struktur wie der Transistor 801 (13) auf. Eine Elektrode 874, die einem Anschluss von Source und Drain des Transistors Tr200 entspricht, ist mit der einen Elektrode 875 des Kondensators C100 verbunden. Es sei angemerkt, dass in 15 beispielhaft ein Fall dargestellt ist, in dem der Transistor Tr200 seine Rückgate-Elektrode in der Leitungsschicht W₅ beinhaltet. Der Kondensator C100 ist in der Leitungsschicht W₆ ausgebildet.
Der OS-Transistor und weitere Komponenten sind auf diese Weise übereinander angeordnet, wobei die Fläche der Schaltung verringert werden kann.
Die vorstehende Struktur kann bei der bei der Ausführungsform 2 beschriebenen Halbleitervorrichtung 500 oder dergleichen eingesetzt werden. Beispielsweise können als Transistor Tr11, Transistor Tr12 und Kondensator C11 in 10 der Transistor Tr100, der Transistor Tr200 bzw. der Kondensator C100 verwendet werden. Ferner können als Transistor Tr21 oder Tr24, Transistor Tr22, Tr23, Tr25 oder Tr26 sowie Kondensator C21 oder C22 in 11 der Transistor Tr100, der Transistor Tr200 bzw. der Kondensator C100 verwendet werden.
Diese Ausführungsform kann je nach Bedarf mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
(Ausführungsform 5)
Bei dieser Ausführungsform wird ein Metalloxid, das in dem vorstehend beschriebenen OS-Transistor verwendet werden kann, beschrieben. Insbesondere werden die Details eines Metalloxids und eines Oxids mit wolkenartig ausgerichteter Zusammensetzung (cloud-aligned composite OS, CAC-OS) nachstehend beschrieben.
Ein CAC-OS oder ein CAC-Metalloxid weist eine leitende Funktion in einem Teil des Materials auf und weist eine isolierende Funktion in einem anderen Teil des Materials auf; als Ganzes weist der CAC-OS oder das CAC-Metalloxid eine Funktion eines Halbleiters auf. In dem Fall, in dem der CAC-OS oder das CAC-Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich eines Transistors verwendet wird, ermöglicht die leitende Funktion, dass Elektronen (oder Löcher), die als Ladungsträger dienen, fließen, und die isolierende Funktion ermöglicht nicht, dass Elektronen, die als Ladungsträger dienen, fließen. Durch die komplementäre Wirkung der leitenden Funktion und der isolierenden Funktion kann der CAC-OS oder das CAC-Metalloxid eine Schaltfunktion (Ein-/Ausschaltfunktion) aufweisen. In dem CAC-OS oder dem CAC-Metalloxid kann eine Trennung der Funktionen jede Funktion maximieren.
Der CAC-OS oder das CAC-Metalloxid beinhaltet leitende Bereiche und isolierende Bereiche. Die leitenden Bereiche weisen die vorstehend beschriebene leitende Funktion auf, und die isolierenden Bereiche weisen die vorstehend beschriebe isolierende Funktion auf. In einigen Fällen sind die leitenden Bereiche und die isolierenden Bereiche in der Größenordnung von Nanoteilchen in dem Material getrennt. In einigen Fällen sind die leitenden Bereiche und die isolierenden Bereiche in dem Material ungleichmäßig verteilt. Die leitenden Bereiche werden in einigen Fällen wolkenartig gekoppelt beobachtet, wobei ihre Grenzen unscharf sind.
Des Weiteren weisen in einigen Fällen in dem CAC-OS oder dem CAC-Metalloxid die leitenden Bereiche und die isolierenden Bereiche jeweils eine Größe von größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, bevorzugt größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 3 nm auf, und sie sind in dem Material dispergiert.
Der CAC-OS oder das CAC-Metalloxid enthält Komponenten mit unterschiedlichen Bandlücken. Der CAC-OS oder das CAC-Metalloxid enthält beispielsweise eine Komponente mit einer großen Lücke auf Grund des isolierenden Bereichs und eine Komponente mit einer kleinen Lücke auf Grund des leitenden Bereichs. Im Falle einer derartigen Zusammensetzung fließen Ladungsträger hauptsächlich in der Komponente mit einer kleinen Lücke. Die Komponente mit einer kleinen Lücke komplementiert die Komponente mit einer großen Lücke, und Ladungsträger fließen auch in der Komponente mit einer großen Lücke in Zusammenhang mit der Komponente mit einer kleinen Lücke. Folglich kann in dem Fall, in dem der oben beschriebene CAC-OS oder das CAC-Metalloxid in einem Kanalbildungsbereich eines Transistors verwendet wird, eine hohe Stromtreiberfähigkeit in dem Durchlasszustand des Transistors, d. h. ein hoher Durchlassstrom und eine hohe Feldeffektbeweglichkeit, erhalten werden.
Mit anderen Worten: Der CAC-OS oder das CAC-Metalloxid kann als Matrix-Verbindung oder Metall-Matrix-Verbindung bezeichnet werden.
Der CAC-OS weist beispielsweise eine Zusammensetzung auf, bei der Elemente, die in einem Metalloxid enthalten sind, ungleichmäßig verteilt sind. Die ungleichmäßig verteilten Elemente weisen jeweils eine Größe von größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, bevorzugt größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 2 nm oder eine ähnliche Größe auf. Es sei angemerkt, dass in der folgenden Beschreibung eines Metalloxids ein Zustand, in dem ein oder mehrere Metallelement/e ungleichmäßig verteilt ist/sind, und Bereiche, die das/die Metallelement/e beinhalten, vermischt sind, als Mosaikmuster oder patchartiges Muster bezeichnet wird, wobei die Bereiche jeweils eine Größe von größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, bevorzugt größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 2 nm oder eine ähnliche Größe aufweisen.
Es sei angemerkt, dass ein Metalloxid vorzugsweise mindestens Indium enthält. Insbesondere sind vorzugsweise Indium und Zink enthalten. Außerdem kann/können eines oder mehrere von Aluminium, Gallium, Yttrium, Kupfer, Vanadium, Beryllium, Bor, Silizium, Titan, Eisen, Nickel, Germanium, Zirconium, Molybdän, Lanthan, Cer, Neodym, Hafnium, Tantal, Wolfram, Magnesium und dergleichen enthalten sein.
Beispielsweise weist hinsichtlich des CAC-OS ein In-Ga-Zn-Oxid mit der CAC-Zusammensetzung (ein derartiges In-Ga-Zn-Oxid kann insbesondere als CAC-IGZO bezeichnet werden) eine Zusammensetzung auf, bei der Materialien in Indiumoxid (InOx₁, wobei X1 eine reelle Zahl von größer als 0 ist) oder Indiumzinkoxid (In_X2Zn_Y2O_Z2, wobei X2, Y2 und Z2 reelle Zahlen von größer als 0 sind) und in Galliumoxid (GaO_X3, wobei X3 eine reelle Zahl von größer als 0 ist) oder Galliumzinkoxid (Ga_X4Zn_Y4O_Z4, wobei X4, Y4 und Z4 reelle Zahlen von größer als 0 sind) geteilt werden, so dass ein Mosaikmuster gebildet wird. Dann wird InO_X1 oder In_X2Zn_Y2O_Z2, welches das Mosaikmuster bildet, in dem Film gleichmäßig verteilt. Diese Zusammensetzung wird auch als wolkenartige Zusammensetzung bezeichnet.
Das heißt, dass der CAC-OS ein Verbundmetalloxid mit einer Zusammensetzung ist, bei der ein Bereich, der GaO_X3 als Hauptkomponente enthält, und ein Bereich, der In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 als Hauptkomponente enthält, gemischt sind. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung, wenn beispielsweise das Atomverhältnis von In zu einem Element M in einem ersten Bereich größer ist als das Atomverhältnis von In zu dem Element M in einem zweiten Bereich, der erste Bereich eine höhere Konzentration von In als der zweite Bereich aufweist.
Es sei angemerkt, dass eine Verbindung, die In, Ga, Zn und O enthält, auch als IGZO bekannt ist. Typische Beispiele für IGZO umfassen eine kristalline Verbindung, die durch InGaO₃(ZnO)_m1 dargestellt wird (m1 ist eine natürliche Zahl) und eine kristalline Verbindung, die durch In(_1+x0)Ga(_1-x0)O₃(ZnO)_m0 dargestellt wird (-1 ≤ x0 ≤ 1; m0 ist eine vorgegebene Zahl).
Die vorstehenden kristallinen Verbindungen weisen eine einkristalline Struktur, eine polykristalline Struktur oder eine kristalline Struktur mit Ausrichtung hinsichtlich der c-Achse (c-axis aligned crystalline structure, CAAC-Struktur) auf. Es sei angemerkt, dass die CAAC-Struktur eine Kristallstruktur ist, bei der eine Vielzahl von IGZO-Nanokristallen eine Ausrichtung hinsichtlich der c-Achse aufweist und in der Richtung der a-b-Ebene ohne Ausrichtung miteinander verbunden ist.
Andererseits betrifft der CAC-OS die Materialzusammensetzung eines Metalloxids. Bei einer Materialzusammensetzung eines CAC-OS, der In, Ga, Zn und O enthält, werden Bereiche mit Nanoteilchen, die Ga als Hauptkomponente enthalten, in einem Teil des CAC-OS beobachtet, und Bereiche mit Nanoteilchen, die In als Hauptkomponente enthalten, werden in einem Teil desselben beobachtet, und diese Bereiche mit Nanoteilchen sind unregelmäßig dispergiert, um ein Mosaikmuster zu bilden. Folglich ist die Kristallstruktur für den CAC-OS ein Sekundärelement.
Es sei angemerkt, dass in dem CAC-OS eine mehrschichtige Struktur, die zwei oder mehrere Filme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen beinhaltet, nicht enthalten ist. Beispielsweise ist eine zweischichtige Struktur aus einem Film, der In als Hauptkomponente enthält, und einem Film, der Ga als Hauptkomponente enthält, nicht enthalten.
Eine Grenze zwischen dem Bereich, der GaO_X3 als Hauptkomponente enthält, und dem Bereich, der In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 als Hauptkomponente enthält, wird in einigen Fällen nicht deutlich beobachtet.
In dem Fall, in dem eines oder mehrere von Aluminium, Yttrium, Kupfer, Vanadium, Beryllium, Bor, Silizium, Titan, Eisen, Nickel, Germanium, Zirconium, Molybdän, Lanthan, Cer, Neodym, Hafnium, Tantal, Wolfram, Magnesium und dergleichen anstelle von Gallium in einem CAC-OS enthalten ist/sind, werden Bereiche mit Nanoteilchen, die das/die ausgewählte/n Metallelement/e als Hauptkomponente/n enthalten, in einem Teil des CAC-OS beobachtet, und Bereiche mit Nanoteilchen, die In als Hauptkomponente enthalten, werden in einem Teil desselben beobachtet, und diese Bereiche mit Nanoteilchen sind unregelmäßig dispergiert, um in dem CAC-OS ein Mosaikmuster zu bilden.
Der CAC-OS kann beispielsweise durch ein Sputterverfahren unter Bedingungen ausgebildet werden, bei denen ein Substrat nicht erwärmt wird. In dem Fall, in dem der CAC-OS durch ein Sputterverfahren ausgebildet wird, kann/können ein oder mehrere Gas/e, das/die aus einem Inertgas (typischerweise Argon), einem Sauerstoffgas und einem Stickstoffgas ausgewählt wird/werden, als Abscheidungsgas verwendet werden. Das Verhältnis der Durchflussmenge eines Sauerstoffgases zu der gesamten Durchflussmenge des Abscheidungsgases beim Abscheiden ist vorzugsweise möglichst niedrig, und beispielsweise ist das Durchflussverhältnis eines Sauerstoffgases höher als oder gleich 0 % und niedriger als 30 %, bevorzugt höher als oder gleich 0 % und niedriger als oder gleich 10 %.
Der CAC-OS wird dadurch gekennzeichnet, dass kein deutlicher Peak bei einer Messung unter Verwendung eines θ/2θ-Scans durch ein Out-of-Plane-Verfahren, welches ein Messverfahren mit einer Röntgenbeugung (X-ray diffraction, XRD) ist, beobachtet wird. Das heißt, dass die Röntgenbeugung in einem Messbereich in der Richtung der a-b-Ebene und in der Richtung der c-Achse keine Ausrichtung zeigt.
In einem Elektronenbeugungsbild des CAC-OS, das durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl mit einem Sondendurchmesser von 1 nm (auch als nanometergroßer Elektronenstrahl bezeichnet) erhalten wird, werden ein ringförmiger Bereich mit hoher Leuchtdichte und eine Vielzahl von Leuchtpunkten in dem ringförmigen Bereich beobachtet. Folglich deutet das Elektronenbeugungsbild darauf hin, dass die Kristallstruktur des CAC-OS eine nanokristalline (nc-) Struktur mit keiner Ausrichtung in Richtungen in einer Draufsicht und einer Querschnittsansicht aufweist.
Beispielsweise bestätigt ein durch energiedispersives Röntgenspektroskopie-(EDX-) erhaltenes Verteilungsbild, dass ein In-Ga-Zn-Oxid mit der CAC-Zusammensetzung eine Struktur aufweist, bei der ein Bereich, der GaO_X3 als Hauptkomponente enthält, und ein Bereich, der In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 als Hauptkomponente enthält, ungleichmäßig verteilt und vermischt sind.
Der CAC-OS weist eine Struktur auf, die sich von derjenigen einer IGZO-Verbindung unterscheidet, in der Metallelemente gleichmäßig verteilt sind, und er weist Eigenschaften auf, die sich von denjenigen der IGZO-Verbindung unterscheiden. Das heißt, dass in dem CAC-OS Bereiche, die GaO_X3 oder dergleichen als Hauptkomponente enthalten, und Bereiche, die In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 als Hauptkomponente enthalten, getrennt sind, um ein Mosaikmuster zu bilden.
Die Leitfähigkeit eines Bereichs, der In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 als Hauptkomponente enthält, ist höher als diejenige eines Bereichs, der GaO_X3 oder dergleichen als Hauptkomponente enthält. Mit anderen Worten: Wenn Ladungsträger durch Bereiche fließen, die In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 als Hauptkomponente enthalten, wird die Leitfähigkeit eines Oxidhalbleiters gezeigt. Demzufolge kann dann, wenn Bereiche, die In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 als Hauptkomponente enthalten, in einem Oxidhalbleiter wie eine Wolke verteilt sind, eine hohe Feldeffektbeweglichkeit (µ) erzielt werden.
Im Gegensatz dazu ist die isolierende Eigenschaft eines Bereichs, der GaO_X3 oder dergleichen als Hauptkomponente enthält, höher als diejenige eines Bereichs, der In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 als Hauptkomponente enthält. Mit anderen Worten: Wenn Bereiche, die GaO_X3 oder dergleichen als Hauptkomponente enthalten, in einem Oxidhalbleiter verteilt sind, kann der Sperrstrom unterdrückt werden, und es kann eine vorteilhafte Schaltfunktion erzielt werden.
Folglich komplementieren dann, wenn ein CAC-OS für ein Halbleiterelement verwendet wird, die isolierende Eigenschaft, die aus GaO_X3 oder dergleichen stammt, und die Leitfähigkeit, die aus In_X2Zn_Y2O_Z2 oder InO_X1 stammt; folglich können ein hoher Durchlassstrom (I_on) und eine hohe Feldeffektbeweglichkeit (µ) erhalten werden.
Ein Halbleiterelement, das einen CAC-OS beinhaltet, weist eine hohe Zuverlässigkeit auf. Daher wird der CAC-OS in unterschiedlichen Halbleitervorrichtungen vorteilhaft verwendet.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer Beschreibung der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
(Ausführungsform 6)
Bei dieser Ausführungsform werden elektronische Geräte, die jeweils mit der bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Stromempfangsvorrichtung ausgestattet werden können, beschrieben.
16(A) bis 16(F) stellen elektronische Geräte dar. Diese elektronischen Geräte können jeweils ein Gehäuse 5000, einen Anzeigeabschnitt 5001, einen Lautsprecher 5003, eine LED-Lampe 5004, Bedienungstasten 5005 (einschließlich eines Netzschalters oder eines Bedienschalters), einen Verbindungsanschluss 5006, einen Sensor 5007 (einen Sensor mit einer Funktion zum Messen von Kraft, Verschiebung, Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit, Drehzahl, Abstand, Licht, Flüssigkeit, Magnetismus, Temperatur, chemischer Substanz, Ton, Zeit, Härte, elektrischem Feld, Strom, Spannung, elektrischer Leistung, Strahlung, Strömungsgeschwindigkeit, Feuchtigkeit, Gefälle, Oszillation, Geruch oder Infrarotstrahlen), ein Mikrofon 5008 und dergleichen beinhalten.
16(A) stellt einen tragbaren Computer dar, der zusätzlich zu den vorstehenden Komponenten einen Schalter 5009, einen Infrarotanschluss 5010 und dergleichen beinhalten kann. 16(B) stellt eine tragbare Bildwiedergabevorrichtung (z. B. eine DVD-Wiedergabevorrichtung) dar, die mit einem Aufzeichnungsmedium versehen ist, und die tragbare Bildwiedergabevorrichtung kann zusätzlich zu den vorstehenden Komponenten einen zweiten Anzeigeabschnitt 5002, einen Aufzeichnungsmedium-Leseabschnitt 5011 und dergleichen beinhalten. 16(C) stellt eine brillenartige Anzeige dar, die zusätzlich zu den vorstehenden Komponenten den zweiten Anzeigeabschnitt 5002, einen Trägerabschnitt 5012, einen Ohrhörer 5013 und dergleichen beinhalten kann. 16(D) stellt eine tragbare Spielekonsole dar, die zusätzlich zu den vorstehenden Komponenten den Aufzeichnungsmedium-Leseabschnitt 5011 und dergleichen enthalten kann. 16(E) stellt eine Digitalkamera mit einer Fernsehempfangsfunktion dar, und die Digitalkamera kann zusätzlich zu den vorstehenden Komponenten eine Antenne 5014, einen Auslöseknopf 5015, einen Bildaufnahmeabschnitt 5016 und dergleichen beinhalten. 16(F) stellt eine tragbare Spielekonsole dar, die zusätzlich zu den vorstehenden Komponenten den zweiten Anzeigeabschnitt 5002, den Aufzeichnungsmedium-Leseabschnitt 5011 und dergleichen beinhalten kann.
Die elektronischen Geräte in 16(A) bis 16(F) können verschiedene Funktionen aufweisen, wie z. B. eine Funktion zum Anzeigen von verschiedenen Daten (einem Standbild, einem bewegten Bild, einem Textbild und dergleichen) auf dem Anzeigeabschnitt, eine Touchscreen-Funktion, eine Funktion zum Anzeigen eines Kalenders, des Datums, der Zeit und dergleichen, eine Funktion zum Steuern der Verarbeitung mittels verschiedener Software (Programme), eine drahtlose Kommunikationsfunktion, eine Funktion zum Verbinden mit verschiedenen Computernetzwerken durch eine drahtlose Kommunikationsfunktion, eine Funktion zum Senden oder Empfangen von verschiedenen Daten durch eine drahtlose Kommunikationsfunktion und eine Funktion zum Lesen eines Programms oder von Daten, die in einem Speichermedium gespeichert sind, und zum Anzeigen des Programms oder von Daten auf dem Anzeigeabschnitt. Darüber hinaus kann das elektronische Gerät, das eine Vielzahl von Anzeigeabschnitten beinhaltet, eine Funktion zum Anzeigen von Bilddaten hauptsächlich auf einem Anzeigeabschnitt, während Textdaten hauptsächlich auf einem anderen Anzeigeabschnitt angezeigt werden, eine Funktion zum Anzeigen eines dreidimensionalen Bildes durch Anzeigen von Bildern auf einer Vielzahl von Anzeigeabschnitten unter Berücksichtigung einer Parallaxe oder dergleichen aufweisen. Daneben kann das elektronische Gerät, das einen Bildaufnahmeabschnitt beinhaltet, eine Funktion zum Aufnehmen eines Standbildes, eine Funktion zum Aufnehmen von bewegten Bildern, eine Funktion zum automatischen oder manuellen Korrigieren eines aufgenommenen Bildes, eine Funktion zum Speichern eines aufgenommenen Bildes in einem Aufzeichnungsmedium (einem externen Aufzeichnungsmedium oder einem in der Kamera integrierten Aufzeichnungsmedium), eine Funktion zum Anzeigen eines aufgenommenen Bildes auf dem Anzeigeabschnitt oder dergleichen aufweisen. Es sei angemerkt, dass die Funktionen der elektronischen Geräte in 16(A) bis 16(F) nicht darauf beschränkt sind und die elektronischen Geräte vielfältige Funktionen aufweisen können.
Das elektronische Gerät, das bei dieser Ausführungsform beschrieben worden ist, beinhaltet eine Batterie und kann eine drahtlose Stromversorgung, die bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden ist, durchführen.
Es werden Anwendungsbeispiele von elektronischen Geräten anhand von 17(A) und 17(B) beschrieben.
17(A) zeigt ein Beispiel, in dem ein Informationsendgerät in einem beweglichen Gegenstand, wie z. B. einem Auto, bedient wird.
Das Bezugszeichen 5103 stellt ein Lenkrad dar, das im Innen eine Antenne beinhaltet. Die Antenne in dem Lenkrad 5103 kann einem elektronischen Gerät 5100 Strom zuführen. Das elektronische Gerät 5100 beinhaltet eine Batterie, die durch eine drahtlose Stromversorgung geladen wird. Das Lenkrad 5103 kann mit einer Vorrichtung versehen sein, die das elektronische Gerät 5100 daran befestigen kann. Wenn das elektronische Gerät 5100 an dem Lenkrad 5103 befestigt wird, kann der Benutzer Freisprech-Anrufe oder Freisprech-Videoanrufe ausführen. Außerdem kann durch ein in dem elektronischen Gerät 5100 bereitgestelltes Mikrofon eine Stimmauthentifizierung durchgeführt werden und das Auto kann durch die Stimme des Fahrers gefahren werden.
Beispielsweise können durch Bedienung des elektronischen Geräts 5100 beim Halten des Autos die Positionsinformationen auf einem Anzeigeabschnitt 5102 angezeigt werden. Ferner können auf dem Anzeigeabschnitt 5102 Informationen, die auf einem Anzeigeabschnitt 5101 des Autos nicht angezeigt werden, wie z. B. die Motordrehzahl, der Lenkradwinkel, die Temperatur und der Reifenluftdruck, angezeigt werden. Der Anzeigeabschnitt 5102 weist eine Berührungseingabefunktion auf. Außerdem kann auf dem Anzeigeabschnitt 5102 ein Bild der Situation außerhalb des Autos, das unter Verwendung einer Kamera oder einer Vielzahl von Kameras aufgenommen wird, angezeigt werden, und der Anzeigeabschnitt 5102 kann somit beispielsweise auch als Rückfahrmonitor verwendet werden. Ferner kann das elektronische Gerät 5100 beispielsweise wie folgt arbeiten, um schläfriges Fahren zu verhindern: Beim Fahren nimmt das elektronische Gerät 5100 ein Bild des Fahrers auf, während es von dem Auto Informationen, wie z. B. die Fahrgeschwindigkeit, drahtlos empfängt und die Fahrgeschwindigkeit überwacht, und wenn der Zustand, in dem die Augen des Fahrers geschlossen sind, lange dauert, vibriert das elektronische Gerät 5100, piept es oder spielt es Musik, was je nach Bedarf durch Einstellen von dem Fahrer ausgewählt werden kann. Außerdem kann dafür gesorgt werden, dass beim Halten des Autos die Aufnahme des Bildes des Fahrers zum Stromsparen unterbrochen wird und beim Halten ferner die Batterie des elektronischen Geräts 5100 drahtlos geladen wird.
Wie vorstehend beschrieben, sind bei beweglichen Gegenständen, wie z. B. Autos, verschiedene Anwendungen des elektronischen Geräts 5100 zu erwarten und von dem elektronischen Gerät 5100 wird verlangt, dass es viele Sensoren und eine Vielzahl von Antennen beinhaltet, um verschiedene Funktionen aufzuweisen. Bewegliche Gegenstände, wie z. B. Autos, beinhalten zwar eine Stromquelle, die jedoch eingeschränkt ist; in Hinblick auf Strom zum Betreiben des beweglichen Gegenstandes oder dergleichen wird der Stromverbrauch des elektronischen Geräts 5100 vorzugsweise möglichst verringert. Besonders bei Elektrofahrzeugen und dergleichen könnte die Fahrstrecke aufgrund des Stromverbrauchs des elektronischen Geräts 5100 verkürzt werden. Auch wenn das elektronische Gerät 5100 verschiedene Funktionen aufweist, ist es selten, sämtliche Funktionen gleichzeitig zu verwenden; meistens wird/werden nach Bedarf lediglich eine Funktion oder zwei Funktionen verwendet. In dem Fall, in dem das elektronische Gerät 5100 verschiedene Funktionen aufweist und eine Vielzahl von Batterien beinhaltet, die jeweiligen Funktionen entsprechen, kann der Stromverbrauch verringert werden, indem lediglich die Funktion, die verwendet werden soll, eingeschaltet wird und von der Batterie, die der Funktion entspricht, Strom zugeführt wird. Ferner können unter der Vielzahl von Batterien diejenigen, die den Funktionen entsprechen, die nicht verwendet werden, durch eine Antenne, die in dem Auto bereitgestellt ist, drahtlos geladen werden.
17(B) zeigt ein Beispiel, in dem ein Informationsendgeräte im Flugzeug oder dergleichen bedient wird. Da im Flugzeug oder dergleichen die Zeit, in der private Informationsendgeräte verwendet werden dürfen, beschränkt ist, wird bei einem langen Flug erwartet, dass das Flugzeug mit Informationsendgeräten ausgestattet ist, die Fluggäste verwenden können.
Das elektronische Gerät 5200 beinhaltet einen Anzeigeabschnitt 5202, auf dem Bilder, wie z. B. Filme, Spiele und Werbung, angezeigt werden, und ist ein Informationsendgerät, mit dem durch die Kommunikationsfunktion die aktuelle Flugposition, die verbleibende Flugzeit und dergleichen in Echtzeit erhalten werden können. Der Anzeigeabschnitt 5202 weist eine Berührungseingabefunktion auf.
Das elektronische Gerät 5200 kann in einen vertieften Abschnitt eines Sitzes 5201 eingepasst werden, und ein Antennen-Installationsabschnitt 5203 wird in einer Position bereitgestellt, die sich mit dem elektronischen Gerät 5200 überlappt, so dass die drahtlose Stromversorgung durchgeführt werden kann, während das elektronische Gerät 5200 in dem vertieften Abschnitt eingepasst ist. Das elektronische Gerät 5200 kann ferner als Telefon oder Kommunikationsmittel dienen, wenn beispielsweise der Benutzer krank ist und einen Flugbegleiter kontaktieren will. Wenn das elektronische Gerät 5200 eine Übersetzungsfunktion oder dergleichen aufweist, können selbst ein Fluggast und ein Flugbegleiter, die unterschiedliche Sprachen sprechen, unter Verwendung des Anzeigeabschnitts 5202 des elektronischen Geräts 5200 miteinander kommunizieren. Ferner können nebeneinander sitzende Fluggäste, die unterschiedliche Sprachen sprechen, unter Verwendung des Anzeigeabschnitts 5202 des elektronischen Geräts 5200 miteinander kommunizieren. Außerdem kann das elektronische Gerät 5200 beispielsweise als Mittelungstafel dienen, indem, während ein Fluggast schläft, auf dem Anzeigeabschnitt 5202 eine Nachricht, wie z. B. „Bitte nicht stören“ auf Englisch, angezeigt wird.
Das elektronische Gerät 5200 kann eine Vielzahl von Batterien beinhalten, die jeweiligen Funktionen entsprechen, und der Stromverbrauch kann verringert werden, indem lediglich eine Funktion, die verwendet werden soll, eingeschaltet wird und Funktionen, die nicht verwendet werden, ausgeschaltet werden. Ferner können unter der Vielzahl von Batterien diejenigen, die den Funktionen entsprechen, die nicht verwendet werden, durch den Antennen-Installationsabschinitt 5203 drahtlos geladen werden.
Die Batterien der elektronischen Geräte 5200 für eine Vielzahl von Sitzen können derart konstruiert werden, dass sie notfalls verwendet werden können, wenn das Flugzeug ein elektrisches Problem hat. Da die elektronischen Geräte 5200 für eine Vielzahl von Sitzen sämtlich die gleichen Produkte sind und das gleiche Design aufweisen, können sie als Notstromquelle in einem System in Reihe geschaltet werden können.
Als Vielzahl von kleinen Batterien des elektronischen Geräts 5200 kann/können eine oder mehrere Arten aus den folgenden verwendet werden: eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, wie z. B. eine Lithium-Polymer-Batterie, ein Lithiumionen-Kondensator, ein elektrischer Doppelschichtkondensator und ein Redox-Kondensator.
Als Nächstes wird als anderes Beispiel für ein elektronisches Gerät, das für den bei den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Stromempfangsabschnitt verwendet werden kann, ein künstliches Organ beschrieben. 18 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels für einen Schrittmacher.
Ein Schrittmacherkörper 5300 beinhaltet mindestens Batterien 5301a und 5301b, einen Regler, eine Steuerschaltung, eine Antenne 5304, einen Draht 5302, der den rechten Vorhof erreicht, und einen Draht 5303, der die rechte Kammer erreicht.
Der Schrittmacherkörper 5300 wird durch eine Operation im Körper implantiert, und zwei Drähte gehen durch eine Schlüsselbeinvene 5305 und eine obere Hohlvene 5306 durch. Das Ende von einem der Drähte wird in dem rechten Vorhof bereitgestellt und das Ende des anderen der Drähte wird in der rechten Kammer bereitgestellt.
Die Antenne 5304 kann Strom empfangen und mit dem Strom werden die Batterien 5301a und 5301b geladen, so dass die Häufigkeit der Ersetzung des Schrittmachers verringert werden kann. Da der Schrittmacherkörper 5300 eine Vielzahl von Batterien beinhaltet, weist er eine hohe Sicherheit auf, und die Vielzahl von Batterien kann als Hilfsstromquelle verwendet werden, da selbst in dem Fall, in dem eine der Batterien kaputt gegangen ist, die andere der Batterien arbeiten kann. Wenn die Batterie in dem Schrittmacher ferner in mehrere dünne Batterien geteilt werden, so dass sie an einer gedruckten Leiterplatte, über der eine Steuerschaltung bereitgestellt ist, die eine CPU und dergleichen umfasst, montiert wird, können die Größe und die Dicke des Schrittmacherkörpers 5300 verringert werden.
Zusätzlich zu der Antenne 5304, die Strom empfangen kann, kann eine weitere Antenne, die physiologische Signale senden kann, auch bereitgestellt sein. Beispielsweise kann ein System konstruiert werden, das die Herzaktivität unter Kontrolle hält, wobei physiologische Signale, wie z. B. der Puls, die Atemfrequenz, die Herzfrequenz und die Körpertemperatur, mit einem externen Überwachungsgerät überwacht werden können.
Es sei angemerkt, dass diese Art und Weise, wie der Schrittmacher platziert wird, nur ein Beispiel ist und dass sie je nach der Herzkrankheit vielfältig geändert werden kann.
Diese Ausführungsform ist nicht auf den Schrittmacher beschränkt. Ein Beispiel für ein künstliches Organ, das häufiger als der Schrittmacher verwendet wird, ist das Cochlea-Implantat. Das Cochlea-Implantat ist eine Vorrichtung, die den Ton in elektrische Signale umwandelt und mit einer Stimulusvorrichtung, die in der Cochlea bereitgestellt ist, den Hörnerv direkt stimuliert.
Das Cochlea-Implantat beinhaltet eine erste Vorrichtung, die durch eine Operation tief im Ohr oder dergleichen eingebettet wird, und eine zweite Vorrichtung, die durch ein Mikrofon den Ton aufnimmt und ihn an die eingebettete erste Vorrichtung sendet. Die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung sind nicht elektrisch miteinander verbunden, und Sendung und Empfang werden drahtlos durchgeführt. Die erste Vorrichtung beinhaltet mindestens eine Antenne, die vom Ton umgewandelte elektrische Signale empfängt, und einen Draht, der die Cochlea erreicht. Die zweite Vorrichtung beinhaltet mindestens einen Tonverarbeitungsabschnitt, der den Ton in elektrische Signale umwandelt, und eine Sendeschaltung, die die elektrische Signale an die erste Vorrichtung sendet.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer Beschreibung der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
Bezugszeichenliste
100 Stromversorgungsvorrichtung, 101 Pfeil, 110 Stromversorgungsspule, 120 Steuervorrichtung, 121 Positionssteuersignal, 122 Positionssteuerschaltung, 123 Ausgabesteuersignal, 124 Ausgabesteuerschaltung, 130 Erfassungsvorrichtung, 130a Erfassungsvorrichtung, 130b Erfassungsvorrichtung, 131 Erfassungsspule, 131a Erfassungsspule, 131b Erfassungsspule, 132 Erfassungsspule, 132a Erfassungsspule, 132b Erfassungsspule, 133a Bereich, 133b Bereich, 133c Bereich, 135 Substrat, 136 Erfassungsvorrichtung, 137 Pfeil, 138 Dielektrikum, 140 Bewegungsvorrichtung, 141 Schiene, 142 Schiene, 143 Spulenständer, 144 Reifen, 150 Gehäuse, 200 Stromempfangsvorrichtung, 210 Stromempfangsspule, 220 Stromspeichervorrichtung, 300 elektronisches Gerät, 500: Halbleitervorrichtung, 510: Speicherschaltung, 520: Referenzspeicherschaltung, 530: Schaltung, 540: Schaltung, 550: Stromquellenschaltung, 801: Transistor, 811: Isolierschicht, 812: Isolierschicht, 813: Isolierschicht, 814: Isolierschicht, 815: Isolierschicht, 816: Isolierschicht, 817: Isolierschicht, 818: Isolierschicht, 819: Isolierschicht, 820: Isolierschicht, 821: Metalloxidfilm, 822: Metalloxidfilm, 822n: Bereich, 823: Metalloxidfilm, 824: Metalloxidfilm, 830: Oxidschicht, 850: leitende Schicht, 850a: leitende Schicht, 850b: leitende Schicht, 851: leitende Schicht, 852: leitende Schicht, 853: leitende Schicht, 853a: leitende Schicht, 853b: leitende Schicht, 860: Halbleitervorrichtung, 870: einkristalliner Siliziumwafer, 871: CMOS-Schicht, 872: Transistorschicht, 873: Gate-Elektrode, 874: Elektrode, 875: Elektrode, 5000: Gehäuse, 5001: Anzeigeabschnitt, 5002: Anzeigeabschnitt, 5003: Lautsprecher, 5004: LED-Lampe, 5005: Bedienungstaste, 5006: Verbindungsanschluss, 5007: Sensor, 5008: Mikrofon, 5009: Schalter, 5010: Infrarotanschluss, 5011: Aufzeichnungsmedium-Leseabschnitt, 5012: Trägerabschnitt, 5013: Ohrhörer, 5014: Antenne, 5015: Auslöseknopf, 5016: Bildaufnahmeabschnitt, 5100: elektronisches Gerät, 5101: Anzeigeabschnitt, 5102: Anzeigeabschnitt, 5103: Lenkrad, 5200: elektronisches Gerät, 5201: Sitz, 5202: Anzeigeabschnitt, 5203: Antennen-Installationsabschinitt, 5300: Schrittmacherkörper, 5301a: Batterie, 5301b: Batterie, 5302: Draht, 5303: Draht, 5304: Antenne, 5305: Schlüsselbeinvene, 5306: obere Hohlvene

Claims

Stromversorgungsvorrichtung, die umfasst: eine Stromversorgungsspule; eine Steuervorrichtung; eine Erfassungsvorrichtung; und eine Bewegungsvorrichtung, wobei die Stromversorgungsspule eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweist, wobei die Steuervorrichtung elektrisch mit der Stromversorgungsspule und der Erfassungsvorrichtung verbunden ist und eine Funktion zum Bestimmen der Position der Stromversorgungsspule sowie eine Funktion zum Senden eines Positionssteuersignals aufweist, wobei die Bewegungsvorrichtung eine Funktion zum Empfangen des Positionssteuersignals und eine Funktion zum Bewegen der Stromversorgungsspule auf Basis des Positionssteuersignals aufweist, wobei die Erfassungsvorrichtung umfasst: eine erste Erfassungsspule; und eine zweite Erfassungsspule, wobei die erste Erfassungsspule eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweist, und wobei die zweite Erfassungsspule eine Funktion zum Erfassen einer Änderung einer magnetischen Flussdichte aufweist.
Stromversorgungsvorrichtung, die umfasst: eine Stromversorgungsspule; eine Steuervorrichtung; eine Erfassungsvorrichtung; und eine Bewegungsvorrichtung, wobei die Stromversorgungsspule eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweist, wobei die Steuervorrichtung elektrisch mit der Stromversorgungsspule und der Erfassungsvorrichtung verbunden ist und eine Funktion zum Bestimmen der Position der Stromversorgungsspule sowie eine Funktion zum Senden eines Positionssteuersignals aufweist, wobei die Bewegungsvorrichtung eine Funktion zum Empfangen des Positionssteuersignals und eine Funktion zum Bewegen der Stromversorgungsspule auf Basis des Positionssteuersignals aufweist, wobei die Erfassungsvorrichtung umfasst: eine erste Gruppe von Spulen; und eine zweite Gruppe von Spulen, wobei sich die zweite Gruppe von Spulen in einem Bereich befindet, der von einer von Spulen in der ersten Gruppe umschlossen ist.
Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Gruppe von Spulen und/oder die zweite Gruppe von Spulen umfassen/umfasst: eine erste Erfassungsspule; und eine zweite Erfassungsspule, wobei die erste Erfassungsspule eine Funktion zum Erzeugen eines magnetischen Feldes aufweist, und wobei die zweite Erfassungsspule eine Funktion zum Erfassen einer Änderung einer magnetischen Flussdichte aufweist.
Stromversorgungsvorrichtung nach einem Anspruch 1 bis 3, wobei die Steuervorrichtung ein neuronales Netz beinhaltet, wobei in eine Eingabeschicht des neuronalen Netzes die Erfassungsdaten eingegeben werden, und wobei aus einer Ausgabeschicht des neuronalen Netzes das Steuersignal ausgegeben wird.
Kontaktfreies Stromversorgungssystem, das umfasst: die Stromversorgungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und eine Stromempfangsvorrichtung, wobei die Stromempfangsvorrichtung umfasst: eine Stromspeichervorrichtung; und eine Stromempfangsspule, wobei die Stromspeichervorrichtung elektrisch mit der Stromempfangsspule verbunden ist und eine Funktion aufweist, mit von der Stromempfangsspule induziertem Strom geladen zu werden, und wobei die Steuervorrichtung eine Funktion aufweist, gemäß der Position der Stromempfangsspule die Position der Stromversorgungsspule zu bestimmen.