JP2015213994A - Digital circuit utilizing nano-mechanical switch - Google Patents

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崇人 小野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a digital circuit utilizing basic nano-mechanical switches for performing high-level digital processing by assembling the nano-mechanical switches.SOLUTION: A digital circuit utilizing basic nano-mechanical switches is constituted by combining a plurality of basic switch elements which comprises four kinds of switches of an S switch made by grounding a source electrode of a nano-mechanical switch, a V switch made by adding a power source voltage to the source electrode of the nano-mechanical switch, an SB switch composed of two switches in which a source electrode of another switch is connected in series to a drain electrode of the S switch and a VB switch composed of two switches in which a source electrode of another switch is connected in series to a drain electrode of the V switch.

Description

本発明は、静電引力で動作するナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路に関し、詳細には静電駆動電圧を印加するゲート電極と、静電引力によって駆動でき最少加工寸法が1μm未満のナノメカニカル梁を有するソース電極と、ソース電極と電気的にオン・オフするドレイン電極とを持ち、ゲート電極に印加する電圧で、ナノメカニカル梁を駆動し、ソース−ドレイン間の電気的接点をオン・オフできるナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路に関するものである。   The present invention relates to a digital circuit using a nanomechanical switch that operates by electrostatic attraction, and more specifically, a gate electrode that applies an electrostatic driving voltage, and a nanomechanical that can be driven by electrostatic attraction and has a minimum processing dimension of less than 1 μm. It has a source electrode having a beam and a drain electrode that is electrically turned on and off, and the nanomechanical beam is driven by a voltage applied to the gate electrode to turn on and off the electrical contact between the source and drain. The present invention relates to a digital circuit using a nanomechanical switch that can be used.

ナノメカニカル・スイッチは、SiCやSi、カーボンナノチューブなどの導電体や半導体を部材とし、その基本要素はゲート、ドレイン、ソースの3電極からなり、駆動する機械構造部分の最少加工寸法がサブミクロンのスイッチ構造を指す。ナノメカニカル・スイッチは、ゲート電極に電圧を印加し、静電引力によって、微小な梁(ナノメカニカル・ビーム)を駆動し、ソース−ドレイン間の接点をオン・オフさせる。ナノメカニカル・スイッチは、半導体のトランジスタと同様に、電気信号をオン・オフできるが、そのスイッチングスピードはサブマイクロ秒からミリ秒と遅い。ナノメカニカル・スイッチには、オンする閾値電圧が存在し、その電圧以上の入力をゲート−ソース間に印加するとスイッチがオンする。ナノメカニカル・スイッチでは、それぞれの電極は真空で絶縁されているためリーク電力が少なく、静電引力による駆動で消費電力も小さい特徴をもつ。   Nanomechanical switches are made of conductors and semiconductors such as SiC, Si, and carbon nanotubes, and their basic elements consist of three electrodes: gate, drain, and source. Refers to the switch structure. The nanomechanical switch applies a voltage to the gate electrode, drives a minute beam (nanomechanical beam) by electrostatic attraction, and turns the contact between the source and the drain on and off. Nanomechanical switches, like semiconductor transistors, can turn electrical signals on and off, but their switching speed is slow, from submicroseconds to milliseconds. The nanomechanical switch has a threshold voltage to turn on, and the switch is turned on when an input higher than the voltage is applied between the gate and the source. In nanomechanical switches, each electrode is insulated by vacuum, so there is little leakage power, and it has the characteristics that power consumption is small by driving by electrostatic attraction.

既存のCMOSの寸法が小型化し、高速の動作が可能になる一方で、リーク電流が大きくなりその消費電力が大きくなる点や、オン−オフ比が大きくなるなどの問題点が指摘されている。これに対して、静電引力によってサブミクロンの寸法を持つ梁(ナノメカニカル梁)を駆動して、電気的な接点を機械的にオン−オフするナノメカニカル・スイッチの開発が進められている。ナノメカニカル・スイッチは、既存のCMOSにくらべて、その動作電力が小さく、低消費電力化が可能である。また、電極接点が真空で隔てられ、オフ時の電極間距離が比較的に大きいため、電力のオン−オフ比が大きく取れる利点がある。   While the dimensions of the existing CMOS are downsized and high-speed operation is possible, problems have been pointed out, such as increased leakage current and increased power consumption, and increased on-off ratio. On the other hand, development of a nanomechanical switch that drives a beam (nanomechanical beam) having a sub-micron dimension by electrostatic attraction and mechanically turns on and off an electrical contact is in progress. Nanomechanical switches have lower operating power than conventional CMOS and can reduce power consumption. In addition, since the electrode contacts are separated by a vacuum and the distance between the electrodes when turned off is relatively large, there is an advantage that a large on / off ratio of power can be obtained.

一般的に、微細化した半導体素子は、高温では動作しなかったり、また強い放射線を浴びると誤動作したりするなどの欠点がある。これに対して、ナノメカニカル・スイッチは、高いロバスト性を持ち、500℃以上の高温でも動作し、強い放射線下でも誤動作しないと考えられている(例えば、非特許文献1参照)。   In general, miniaturized semiconductor elements have drawbacks such as not operating at high temperatures and malfunctioning when exposed to intense radiation. On the other hand, nanomechanical switches are considered to have high robustness, operate at high temperatures of 500 ° C. or higher, and do not malfunction even under strong radiation (for example, see Non-Patent Document 1).

Te-Hao Lee, Swarup Bhunia, Mehran Mehregany, “Electromechanical Computing at 500℃ with Silicon Carbide”, Science, 2010, Vol. 329, No. 10, p.1316-1318Te-Hao Lee, Swarup Bhunia, Mehran Mehregany, “Electromechanical Computing at 500 ℃ with Silicon Carbide”, Science, 2010, Vol. 329, No. 10, p.1316-1318

ナノメカニカル・スイッチは、現状では、単なる“スイッチ”にとどまり、高度な演算処理をするまでは至っていないという課題があった。   At present, the nanomechanical switch is merely a “switch”, and has a problem that it has not yet been subjected to advanced arithmetic processing.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ナノメカニカル・スイッチを組み合わせて、高度なデジタル処理をするための基本的なナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such a problem, and provides a digital circuit using a basic nanomechanical switch for performing advanced digital processing by combining nanomechanical switches. Objective.

本発明によれば、静電駆動電圧を印加するゲート電極と、静電引力によって駆動でき最少加工寸法が1μm未満のナノメカニカル梁を有するソース電極と、前記ソース電極と電気的にオン・オフするドレイン電極とを持ち、前記ゲート電極に印加する電圧で、前記ナノメカニカル梁を駆動し、ソース−ドレイン間の電気的接点をオン・オフできるナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路であって、前記ナノメカニカル・スイッチのソース電極を接地したSスイッチ、前記ナノメカニカル・スイッチのソース電極に電源電圧を加えたVスイッチ、前記Sスイッチのドレイン電極に別のスイッチのソース電極が直列に接続された2つのスイッチからなるSBスイッチ、および、前記Vスイッチのドレイン電極に別のスイッチのソース電極が直列に接続された2つのスイッチからなるVBスイッチの4種類を基本スイッチ要素とし、これらの基本スイッチ要素の複数を組み合わせることで構成されることを特徴とするナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路が得られる。   According to the present invention, a gate electrode that applies an electrostatic driving voltage, a source electrode that can be driven by electrostatic attraction and has a nanomechanical beam with a minimum processing dimension of less than 1 μm, and the source electrode are electrically turned on / off. A digital circuit using a nanomechanical switch having a drain electrode, driving the nanomechanical beam with a voltage applied to the gate electrode, and turning on and off an electrical contact between the source and drain, An S switch in which the source electrode of the nanomechanical switch is grounded, a V switch in which a power supply voltage is applied to the source electrode of the nanomechanical switch, and a source electrode of another switch connected in series to the drain electrode of the S switch 2 SB switch consisting of one switch, and the source electrode of another switch on the drain electrode of the V switch A digital circuit using a nanomechanical switch, characterized by comprising four types of VB switches consisting of two switches connected in series as basic switch elements and combining a plurality of these basic switch elements Is obtained.

また、本発明によれば、本発明に係るナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るNORゲート回路であって、前記VBスイッチおよび前記Sスイッチ2個の3つのスイッチ要素を並列につなぎ、前記VBスイッチの2つのゲート電圧を入力とし、その入力が前記Sスイッチのいずれか1つのゲート電極に接続され、前記3つのスイッチ要素のドレイン電極を電気的に接続して出力としたことを特徴とするNORゲート回路が得られる。また、そのNORゲート回路の出力にNOTゲートを接続したことを特徴とするORゲート回路が得られる。   Further, according to the present invention, there is provided a NOR gate circuit comprising a digital circuit using the nanomechanical switch according to the present invention, wherein the three switch elements of the VB switch and the two S switches are connected in parallel, Two gate voltages of the VB switch are input, the input is connected to any one gate electrode of the S switch, and the drain electrodes of the three switch elements are electrically connected to output. A NOR gate circuit is obtained. Further, an OR gate circuit characterized in that a NOT gate is connected to the output of the NOR gate circuit can be obtained.

また、本発明によれば、本発明に係るナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るNANDゲート回路であって、前記SBスイッチおよび前記Vスイッチ2個の3つのスイッチ要素を並列につなぎ、前記SBスイッチの2つのゲート電圧を入力とし、その入力が前記Vスイッチのいずれか1つのゲート電極に接続され、前記3つのスイッチ要素のドレイン電極を電気的に接続して出力としたことを特徴とするNANDゲート回路が得られる。また、そのNANDゲート回路の出力にNOTゲートを接続したことを特徴とするAND回路が得られる。   Further, according to the present invention, a NAND gate circuit comprising a digital circuit using the nanomechanical switch according to the present invention, wherein the three switch elements of the SB switch and the two V switches are connected in parallel, Two gate voltages of the SB switch are input, the input is connected to any one gate electrode of the V switch, and the drain electrodes of the three switch elements are electrically connected to output. NAND gate circuit is obtained. Further, an AND circuit characterized in that a NOT gate is connected to the output of the NAND gate circuit can be obtained.

また、本発明によれば、本発明に係るナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るメモリー回路であって、前記Sスイッチと前記Vスイッチとを並列に接続し、それぞれのゲート電極を電気的に接続して入力とし、それぞれのドレイン電極を電気的に接続して出力としたインバーターを2個有し、互いのインバーターの出力を別のインバーターの入力に接続することで、HighとLowの2つの状態を有し、外部から入力した状態を保持することができることを特徴とするメモリー回路が得られる。   Further, according to the present invention, there is provided a memory circuit comprising a digital circuit using the nanomechanical switch according to the present invention, wherein the S switch and the V switch are connected in parallel, and each gate electrode is electrically connected. By connecting the output of each inverter to the input of another inverter, two inverters, High and Low, are connected. A memory circuit having two states and being able to hold a state input from the outside can be obtained.

また、本発明によれば、本発明に係るナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路と、抵抗および/または容量とを有し、前記ナノメカニカル・スイッチのオン・オフ動作の閾値を利用して動作することを特徴とする閾値利用デジタル回路がえられる。   In addition, according to the present invention, it has a digital circuit using the nanomechanical switch according to the present invention, a resistor and / or a capacitor, and operates using a threshold value of the on / off operation of the nanomechanical switch. A threshold value using digital circuit is obtained.

また、本発明によれば、本発明に係る閾値利用デジタル回路から成るADコンバーターであって、前記ナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路を複数有し、入力電圧を複数の抵抗で分割し、その分割電圧のそれぞれを、対応するナノメカニカル・スイッチのゲート電極に接続し、前記閾値よりも大きな電圧で、各ナノメカニカル・スイッチのオン・オフが起こることを利用してアナログ・デジタル変換することを特徴とするADコンバーターが得られる。   Further, according to the present invention, there is provided an AD converter comprising the threshold value utilizing digital circuit according to the present invention, comprising a plurality of digital circuits utilizing the nanomechanical switch, and dividing an input voltage by a plurality of resistors, Each divided voltage is connected to the gate electrode of the corresponding nanomechanical switch, and analog-to-digital conversion is performed using the fact that each nanomechanical switch is turned on and off at a voltage higher than the threshold. A characteristic AD converter is obtained.

また、本発明によれば、本発明に係る閾値利用デジタル回路から成る発振素子であって、前記ナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るインバーターの出力と入力との間に抵抗を接続し、前記入力に並列に容量を接続し、入力電圧が前記閾値の前後で、出力がHighとLowに変換することで発振することを特徴とする発振素子が得られる。   According to the present invention, there is provided an oscillation element comprising a threshold-use digital circuit according to the present invention, wherein a resistor is connected between an output and an input of an inverter comprising a digital circuit utilizing the nanomechanical switch, An oscillation element characterized in that a capacitor is connected in parallel to the input, and the output voltage oscillates by being converted to High and Low before and after the threshold voltage is obtained.

本発明によれば、ナノメカニカル・スイッチを組み合わせて、高度なデジタル処理をするための基本的なナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路を提供することができる。本発明によれば、低消費電力で動作する演算素子や回路デジタル演算素子を提供することができる。これらは、高温あるいは強い放射線下などの耐環境下でも動作する。   According to the present invention, a digital circuit using a basic nanomechanical switch for performing advanced digital processing can be provided by combining nanomechanical switches. According to the present invention, it is possible to provide an arithmetic element or a circuit digital arithmetic element that operates with low power consumption. They operate even in environments that are resistant to high temperatures or intense radiation.

本発明の実施の形態のデジタル回路で使用する、静電引力で駆動するナノメカニカル・スイッチの概要を示すブロック構造図、静電駆動状態の回路図、電圧−電流特性のグラフである。1 is a block structure diagram showing an outline of a nanomechanical switch driven by electrostatic attraction used in a digital circuit according to an embodiment of the present invention, a circuit diagram of an electrostatic drive state, and a graph of voltage-current characteristics. 本発明の実施の形態のデジタル回路で使用する、ナノメカニカル・スイッチの構成要素を示すSスイッチおよびVスイッチのブロック構成図である。It is a block block diagram of S switch and V switch which show the component of the nano mechanical switch used with the digital circuit of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路で使用する、ナノメカニカル・スイッチを直列につないだ要素であるSBスイッチを示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the SB switch which is an element which connected the nano mechanical switch used in series in the digital circuit of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路で使用する、ナノメカニカル・スイッチを直列につないだ要素であるVBスイッチを示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the VB switch which is the element which connected the nano mechanical switch used in series in the digital circuit of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路の、インバーター(NOTゲート)を示す回路構成および動作原理である。1 shows a circuit configuration and an operation principle showing an inverter (NOT gate) of a digital circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路の、NORゲートを示す回路構成および真理値表である。It is a circuit structure and truth table which show a NOR gate of a digital circuit of an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路の、NANDゲートを示す回路構成および真理値表である。2 is a circuit configuration and a truth table showing a NAND gate of a digital circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路の、ORゲートを示す回路構成および真理値表である。It is a circuit configuration and truth table showing an OR gate of a digital circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路の、メモリー回路を示す回路構成および入力と出力との関係表である。3 is a circuit configuration showing a memory circuit and a relationship table between input and output of the digital circuit according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路の、発振回路を示す回路構成である。1 is a circuit configuration showing an oscillation circuit of a digital circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路の、AD変換器を示す回路構成である。It is a circuit structure which shows the AD converter of the digital circuit of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路で使用する、ナノメカニカル・スイッチの作製方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the preparation methods of the nano mechanical switch used with the digital circuit of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路で使用する、ナノメカニカル・スイッチの電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the nanomechanical switch used in the digital circuit of the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態のデジタル回路で使用する、ナノメカニカル・スイッチのゲート電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gate voltage and drain current of a nanomechanical switch used with the digital circuit of embodiment of this invention.

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、静電引力で駆動するナノメカニカル・スイッチの概要である。図1に示すように、ナノメカニカル・スイッチは、静電駆動電圧を印加するゲート電極102、静電引力によって駆動するナノメカニカル梁100を有するソース電極103、およびソース電極103と電気的にオン・オフするドレイン電極101を持ち、ゲート電極102に印加する電圧で、最少加工寸法が1μm未満のナノ構造を持った導電性のナノメカニカル梁100を駆動し、ソース−ドレイン間の電気的接点をオン・オフできるようになっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an outline of a nanomechanical switch driven by electrostatic attraction. As shown in FIG. 1, the nanomechanical switch includes a gate electrode 102 for applying an electrostatic driving voltage, a source electrode 103 having a nanomechanical beam 100 driven by electrostatic attraction, and a source electrode 103 that is electrically on. A drain electrode 101 is turned off, and a voltage applied to the gate electrode 102 drives a conductive nanomechanical beam 100 having a nanostructure with a minimum processing dimension of less than 1 μm to turn on an electrical contact between the source and drain.・ It can be turned off.

図2は、ナノメカニカル・スイッチの構成要素である。図2に示したように、ナノメカニカル梁100が形成されたソース電極103を接地したSスイッチ201、およびソース電極103に電源電圧(VCC)を加えたVスイッチ202の2種類のスイッチを本発明の回路の構成要素とする。   FIG. 2 shows the components of the nanomechanical switch. As shown in FIG. 2, the present invention includes two types of switches: an S switch 201 in which the source electrode 103 on which the nanomechanical beam 100 is formed is grounded, and a V switch 202 in which a power supply voltage (VCC) is applied to the source electrode 103. As a component of the circuit.

図3は、Bスイッチ305とSスイッチ306とを直列につないだ要素(SBスイッチ307)である。図3に示したように、Sスイッチ306のドレインが別のナノメカニカル・スイッチ(Bスイッチ305)のソースに電気的に接続され、2つのナノメカニカル・スイッチが直列に接続された“SBスッイッチ”が要素として使える。Sスイッチ306のGSゲート304とBスイッチ305のGBゲート303の2つの入力302,301を持ち、Bスイッチ305のドレインが出力308となる。この要素は、GSとGBの入力302,301の両方がHighの時に出力がLowになり、それ以外の時は、スイッチがオフ状態となる。   FIG. 3 shows an element (SB switch 307) in which a B switch 305 and an S switch 306 are connected in series. As shown in FIG. 3, an “SB switch” in which the drain of the S switch 306 is electrically connected to the source of another nanomechanical switch (B switch 305) and the two nanomechanical switches are connected in series. Can be used as an element. The GS gate 304 of the S switch 306 and the GB gate 303 of the B switch 305 have two inputs 302 and 301, and the drain of the B switch 305 becomes the output 308. In this element, the output is Low when both the GS and GB inputs 302 and 301 are High, and the switch is OFF in other cases.

図4は、Bスイッチ406とVスイッチ407とを直列につないだ要素(VBスイッチ408)である。図4に示したように、Vスイッチ407のドレインが別のナノメカニカル・スイッチ(Bスイッチ406)のソースに接続され、2つのナノメカニカル・スイッチが直列に接続された“VBスッイッチ”が要素として使える。Vスイッチ407のGVゲート404とBスイッチ406のGBゲート403の2つの入力402,401を持ち、Bスイッチ406のドレインが出力となる。この要素は、GVとGBの入力402,401の両方がLowの時に出力がHighになり、それ以外の時は、スイッチがオフ状態となる。   FIG. 4 shows an element (VB switch 408) in which a B switch 406 and a V switch 407 are connected in series. As shown in FIG. 4, the “VB switch” in which the drain of the V switch 407 is connected to the source of another nanomechanical switch (B switch 406) and the two nanomechanical switches are connected in series is an element. It can be used. It has two inputs 402 and 401 of the GV gate 404 of the V switch 407 and the GB gate 403 of the B switch 406, and the drain of the B switch 406 becomes an output. In this element, the output is High when both the GV and GB inputs 402 and 401 are Low, and the switch is OFF in other cases.

前述のSスイッチ、Vスイッチ、SBスイッチおよびVBスイッチの4種類を構成要素とし、これらの内の一つ以上をスイッチ構成要素とし、並列、あるいは直列につないだ複数のナノメカニカル・スイッチの構成により、すべての論理演算が可能になる。また、これらに抵抗やコンデンサーなどの電気要素を組み合わせて、アナログあるいはデジタル信号を処理する回路を形成できる。   The above-mentioned S switch, V switch, SB switch, and VB switch are used as components, and one or more of them are used as switch components, depending on the configuration of multiple nanomechanical switches connected in parallel or in series. , All logical operations are possible. In addition, a circuit for processing an analog or digital signal can be formed by combining these with electrical elements such as a resistor and a capacitor.

図5は、ナノメカニカル・スイッチの組み合わせによるインバーター(NOTゲート)の回路構成と動作原理である。図5に示したように、前述のSスイッチ504とVスイッチ503とを並列に接続し、それぞれのゲート電極を電気的に接続して入力501とする。また、ドレインを電気的に接続して出力502とする。入力501がLowの時は、Vスイッチがオンし、出力502がHighになる。この時、Sスイッチ504はオフ状態になる。また、入力501がHighの時は、Sスイッチ504がOnになり、出力502がLowになる。この時、Vスイッチ503はオフのままである。以上により、このスイッチはインバーター(NOTゲート)として動作する。   FIG. 5 shows the circuit configuration and operation principle of an inverter (NOT gate) using a combination of nanomechanical switches. As shown in FIG. 5, the aforementioned S switch 504 and V switch 503 are connected in parallel, and the respective gate electrodes are electrically connected to form an input 501. Further, the drain is electrically connected to obtain an output 502. When the input 501 is low, the V switch is turned on and the output 502 becomes high. At this time, the S switch 504 is turned off. When the input 501 is High, the S switch 504 is On and the output 502 is Low. At this time, the V switch 503 remains off. As described above, this switch operates as an inverter (NOT gate).

図6は、VBスイッチ604と2個のSスイッチ605の組み合わせで構成したNORゲート606である。図6に示したように、VBスイッチ604および、2個のSスイッチ605を並列につなぎ、VBスイッチ604の2つのゲート電圧を入力(A,B)601,602とする。また、Sスイッチ605のそれぞれを、VBスイッチ604の2つの入力(A入力601もしくはB入力602)のいずれかに接続する。3つのドレインを電気的に接続し、出力603とする。A入力601とB入力602がともにLowの時、出力603はHighになり、それ以外の時、出力603はLowになる。つまり、この回路はNORゲート(否定論理和)606として動作する。   FIG. 6 shows a NOR gate 606 configured by a combination of a VB switch 604 and two S switches 605. As shown in FIG. 6, the VB switch 604 and the two S switches 605 are connected in parallel, and the two gate voltages of the VB switch 604 are input (A, B) 601 and 602. Each S switch 605 is connected to one of two inputs (A input 601 or B input 602) of the VB switch 604. Three drains are electrically connected to obtain an output 603. When both the A input 601 and the B input 602 are Low, the output 603 is High, and otherwise, the output 603 is Low. That is, this circuit operates as a NOR gate (negative OR) 606.

図7は、SBスイッチ704と2つのVスイッチ705の組み合わせで構成したNANDゲート706である。図7に示したように、SBスイッチ704および、2個のVスイッチ705を並列につなぎ、SBスイッチ704の2つのゲート電圧を入力(A,B)701,702とする。また、Vスイッチ705のそれぞれを、SBスイッチ704の2つの入力(A入力701もしくはB入力702)のいずれかに接続する。3つのドレインを電気的に接続し、出力703とする。A入力701とB入力702がともにHighの時、出力703はLowになり、それ以外の時、出力703はHighになる。つまり、この回路はNANDゲート(否定論理積)706として動作する。   FIG. 7 shows a NAND gate 706 constituted by a combination of the SB switch 704 and two V switches 705. As shown in FIG. 7, the SB switch 704 and the two V switches 705 are connected in parallel, and the two gate voltages of the SB switch 704 are input (A, B) 701 and 702. Each V switch 705 is connected to one of two inputs (A input 701 or B input 702) of the SB switch 704. Three drains are electrically connected to obtain an output 703. When both the A input 701 and the B input 702 are High, the output 703 is Low, and at other times, the output 703 is High. That is, this circuit operates as a NAND gate (negative AND) 706.

NORゲート、NANDゲート、NOTゲートの組み合わせで、様々な論理回路が構成できる。例えば、図8は、NORゲート804とNOTゲート805との組み合わせで構成したORゲート806である。図8に示したように、NORゲート804の出力をNOTゲート805に接続することで、ORゲート(論理和)806が構成できる。同様に、NANDゲートの出力をNOTゲートに接続すると、ANDゲート(論理積)が構成できる。   Various logic circuits can be configured by combining NOR gates, NAND gates, and NOT gates. For example, FIG. 8 shows an OR gate 806 configured by a combination of a NOR gate 804 and a NOT gate 805. As shown in FIG. 8, an OR gate (logical sum) 806 can be configured by connecting the output of the NOR gate 804 to the NOT gate 805. Similarly, when the output of the NAND gate is connected to the NOT gate, an AND gate (logical product) can be configured.

図9は、NOTゲート907,908を2個接続して構成したメモリー回路である。2つのNOTゲート907,908を用い、NOTゲート907,908の出力をそれぞれ別のNOTゲート908,907の入力に接続する。この回路は、出力がHighもしくはLowの2つの安定状態を持ち、そのままの状態を維持できる。図9に示したように、外部からの接続スイッチ(スイッチ1)905をオンにし、また、2つのNOTゲート907,908の接続を内部スイッチ(スイッチ2)906でオフにする。この状態で、外部から入力をいれて情報を書き込み、外部からの接続スイッチ(スイッチ1)905をオフにし、内部スイッチ(スイッチ2)906をオンにすると、その書きこんだ情報を保持する、つまり、メモリーとして動作する。スイッチ1;905の入力901がHighの時にのみ情報を書き換えることができ、スイッチ2;906の入力902がLowの時は、前の情報を維持する。つまり、フリップフロップとして、動作する。   FIG. 9 shows a memory circuit configured by connecting two NOT gates 907 and 908. Two NOT gates 907 and 908 are used, and the outputs of NOT gates 907 and 908 are connected to the inputs of different NOT gates 908 and 907, respectively. This circuit has two stable states of output High or Low, and can maintain the same state. As shown in FIG. 9, the connection switch (switch 1) 905 from the outside is turned on, and the connection between the two NOT gates 907 and 908 is turned off by the internal switch (switch 2) 906. In this state, when information is input from the outside and information is written, the external connection switch (switch 1) 905 is turned off, and the internal switch (switch 2) 906 is turned on, the written information is retained. Operates as a memory. Information can be rewritten only when the input 901 of the switch 1; 905 is High, and the previous information is maintained when the input 902 of the switch 2; 906 is Low. That is, it operates as a flip-flop.

ナノメカニカル・スイッチが動作する閾値を利用し、発振回路が構成できる。図10は、ナノメカニカルNOTゲート(ナノメカニカル・スイッチを用いたインバーター)1002を用いた発振回路である。図10で、NOTゲート1002の出力と入力との間に抵抗R;1003を入れ、入力に並列に容量C;1004を配置している。入力が閾値電圧以下だと出力1001がHighになり、この結果として閾値電圧以上になると出力1001がLowになる。この動作を繰り返すことで発振回路として動作する。   An oscillation circuit can be configured by using a threshold at which the nanomechanical switch operates. FIG. 10 shows an oscillation circuit using a nanomechanical NOT gate (inverter using a nanomechanical switch) 1002. In FIG. 10, a resistor R; 1003 is inserted between the output and the input of the NOT gate 1002, and a capacitor C; 1004 is arranged in parallel with the input. When the input is below the threshold voltage, the output 1001 becomes High. As a result, when the input is above the threshold voltage, the output 1001 becomes Low. By repeating this operation, the circuit operates as an oscillation circuit.

ナノメカニカル・スイッチが動作する閾値を利用し、AD変換器を構成できる。図11は、ナノメカニカル・スイッチを用いたAD変換器である。図11に示すように、AD変換する電圧信号(入力)1101を抵抗分割し、分割したそれぞれの電圧をVスイッチのゲートに接続する。電圧が閾値よりも小さければVスイッチはオンし、閾値よりも大きければVスイッチはオフになる。複数並んだVスイッチの出力から入力電圧を知ることができる。   An AD converter can be configured by using a threshold at which the nanomechanical switch operates. FIG. 11 shows an AD converter using a nanomechanical switch. As shown in FIG. 11, the voltage signal (input) 1101 to be AD-converted is resistance-divided, and each divided voltage is connected to the gate of the V switch. If the voltage is smaller than the threshold value, the V switch is turned on, and if the voltage is larger than the threshold value, the V switch is turned off. The input voltage can be known from the outputs of a plurality of V switches arranged side by side.

以上、本願の説明では、単純なナノメカニカル・スイッチを組み合わせた僅かな部品要素で、演算素子、発振器、AD変換器など、デジタル回路が構成できることを説明したが、応用はこれに限るものではなく、通常のデジタル回路に用いられる種々の回路が形成できる。   As described above, in the description of the present application, it has been described that a digital circuit such as an arithmetic element, an oscillator, and an AD converter can be configured with a few component elements combined with a simple nanomechanical switch. However, the application is not limited to this. Various circuits used in ordinary digital circuits can be formed.

以下に、ソース、ドレイン、ゲートの3電極構造からなるナノメカニカル・スイッチの実施例について説明する(飯塚啓、小野崇人、「低電圧駆動Siナノ電気機械スイッチ」、電気学会全国大会、2014年、3−198ページ参照)。   In the following, an embodiment of a nanomechanical switch having a three-electrode structure of source, drain and gate will be described (Hiroshi Iizuka, Takato Ono, “Low-voltage driven Si nanoelectromechanical switch”, IEEJ National Convention, 2014 , Page 3-198).

図12は、ナノメカニカル・スイッチの作製例である。デバイス層が1.5μmのSOI(Silicon on insulator)ウエハを用いて、上部Si層をスイッチの形状に加工した。まず、タングステン(W)とSiOとを成膜したウエハに電子線描画を用いてパターニングを行った後、CHFとSFガスとを用いてSiOとタングステンとをエッチングした(図12(a))。次に、SiOをマスクとして、反応性イオンエッチングによりタングステンとSiとのエッチングを行った(図12(b))。さらに、タングステンのスパッタリングとイオンミリングとを組み合わせることで、はりの接点である側面にタングステン層を形成した(図12(c))。最後に、SOIウエハのボックス層をフッ酸により除去し、はりの部分のみをリリースさせることでナノメカニカル・スイッチを形成した(図12(d))。 FIG. 12 is an example of manufacturing a nanomechanical switch. Using an SOI (Silicon on Insulator) wafer having a device layer of 1.5 μm, the upper Si layer was processed into a switch shape. First, after patterning was performed on a wafer on which tungsten (W) and SiO 2 were formed using electron beam drawing, SiO 2 and tungsten were etched using CHF 3 and SF 6 gas (FIG. 12 ( a)). Next, using SiO 2 as a mask, etching of tungsten and Si was performed by reactive ion etching (FIG. 12B). Further, by combining tungsten sputtering and ion milling, a tungsten layer was formed on the side surface, which is the contact point of the beam (FIG. 12C). Finally, the box layer of the SOI wafer was removed with hydrofluoric acid, and only the beam portion was released to form a nanomechanical switch (FIG. 12D).

作製したナノメカニカル・スイッチの電子顕微鏡写真を、図13に示す。梁の長さ、幅、高さはそれぞれ、約6μm、130nm、1.5μmであり、その表面に薄くWが堆積している。ゲート電極とナノメカニカル梁とのギャップは、小さな電圧でも大きな静電引力が働くように100nm程度にしてある。   An electron micrograph of the produced nanomechanical switch is shown in FIG. The length, width, and height of the beam are about 6 μm, 130 nm, and 1.5 μm, respectively, and thin W is deposited on the surface. The gap between the gate electrode and the nanomechanical beam is about 100 nm so that a large electrostatic attraction works even at a small voltage.

ソース−ゲート間に駆動電圧(VG)を印加し、その際ソース−ドレイン間に流れる電流(ID)を計測した結果を、図14に示す。測定では、ゲート電圧を0Vから1Vまで徐々に上昇させた後、0Vまで徐々に減少させた。この測定時に、ソース−ドレイン間には50nVの電圧を印加している。また、過電流によるスイッチの損傷を防ぐため、ソース−ドレイン間に流れる電流上限値をそれぞれ50nAとしている。図14に示すように、電圧を上昇させるとき、0.8Vでスイッチが入り、オン状態になり、電圧を下げるときは0.7V程度でスイッチがオフになる。   FIG. 14 shows the result of measuring the current (ID) flowing between the source and the drain while applying the driving voltage (VG) between the source and the gate. In the measurement, the gate voltage was gradually increased from 0V to 1V and then gradually decreased to 0V. During this measurement, a voltage of 50 nV is applied between the source and drain. In order to prevent the switch from being damaged due to overcurrent, the upper limit value of the current flowing between the source and the drain is set to 50 nA. As shown in FIG. 14, when the voltage is raised, the switch is turned on at 0.8V and turned on, and when the voltage is lowered, the switch is turned off at about 0.7V.

本発明は、デジタル信号処理を行う多種のデバイスや装置、システムに利用できる。   The present invention can be used in various devices, apparatuses, and systems that perform digital signal processing.

100 ナノメカニカル梁
101 ドレイン
102 ゲート
103 ソース
201 Sスイッチ
202 Vスイッチ
301 入力1
302 入力2
303 GBゲート
304 GSゲート
305 Bスイッチ
306 Sスイッチ
307 SBスイッチ
308 出力
401 入力1
402 入力2
403 GBゲート
404 GVゲート
405 出力
406 Bスイッチ
407 Vスイッチ
408 VBスイッチ
501 入力
502 出力
503 Vスイッチ
504 Sスイッチ
601 A入力
602 B入力
603 出力
604 VBスイッチ
605 Sスイッチ
606 NORゲート
701 A入力
702 B入力
703 出力
704 SBスイッチ
705 Vスイッチ
706 NANDゲート
801 A入力
802 B入力
803 出力
804 NORゲート
805 NOTゲート
806 ORゲート
901,902 入力
903,904 出力
905 スイッチ1
906 スイッチ2
907 NOTゲート
908 NOTゲート
1001 出力
1002 ナノメカニカル・スイッチを用いたインバーター(NOTゲート)
1003 抵抗
1004 容量
1101 入力
1102 VBスイッチのアレイ
1103 ナノメカニカル・エンコーダー
100 Nanomechanical beam 101 Drain 102 Gate 103 Source 201 S switch 202 V switch 301 Input 1
302 Input 2
303 GB gate 304 GS gate 305 B switch 306 S switch 307 SB switch 308 output 401 input 1
402 Input 2
403 GB gate 404 GV gate 405 output 406 B switch 407 V switch 408 VB switch 501 input 502 output 503 V switch 504 S switch 601 A input 602 B input 603 output 604 VB switch 605 S switch 606 NOR gate 701 A input 702 A input 702 A input 702 703 output 704 SB switch 705 V switch 706 NAND gate 801 A input 802 B input 803 output 804 NOR gate 805 NOT gate 806 OR gate 901, 902 input 903, 904 output 905 switch 1
906 Switch 2
907 NOT gate 908 NOT gate 1001 Output 1002 Inverter using nanomechanical switch (NOT gate)
1003 Resistance 1004 Capacitance 1101 Input 1102 Array of VB Switches 1103 Nanomechanical Encoder

また、本発明によれば、本発明に係るナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るNORゲート回路であって、前記VBスイッチおよび前記Sスイッチ2個の3つのスイッチ要素を並列につなぎ、前記VBスイッチの2つのゲート電圧を入力とし、その入力が前記Sスイッチのいずれか1つのゲート電極に接続され、前記3つのスイッチ要素のドレイン電極を電気的に接続して出力としたことを特徴とするNORゲート回路が得られる。また、そのNORゲート回路の出力に、ナノメカニカル・スイッチの組み合わせで構成されるNOTゲートを接続したことを特徴とするORゲート回路が得られる。
Further, according to the present invention, there is provided a NOR gate circuit comprising a digital circuit using the nanomechanical switch according to the present invention, wherein the three switch elements of the VB switch and the two S switches are connected in parallel, Two gate voltages of the VB switch are input, the input is connected to any one gate electrode of the S switch, and the drain electrodes of the three switch elements are electrically connected to output. A NOR gate circuit is obtained. Further, an OR gate circuit characterized in that a NOT gate constituted by a combination of nanomechanical switches is connected to the output of the NOR gate circuit.

また、本発明によれば、本発明に係るナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るNANDゲート回路であって、前記SBスイッチおよび前記Vスイッチ2個の3つのスイッチ要素を並列につなぎ、前記SBスイッチの2つのゲート電圧を入力とし、その入力が前記Vスイッチのいずれか1つのゲート電極に接続され、前記3つのスイッチ要素のドレイン電極を電気的に接続して出力としたことを特徴とするNANDゲート回路が得られる。また、そのNANDゲート回路の出力に、ナノメカニカル・スイッチの組み合わせで構成されるNOTゲートを接続したことを特徴とするAND回路が得られる。
Further, according to the present invention, a NAND gate circuit comprising a digital circuit using the nanomechanical switch according to the present invention, wherein the three switch elements of the SB switch and the two V switches are connected in parallel, Two gate voltages of the SB switch are input, the input is connected to any one gate electrode of the V switch, and the drain electrodes of the three switch elements are electrically connected to output. NAND gate circuit is obtained. In addition, an AND circuit characterized in that a NOT gate constituted by a combination of nanomechanical switches is connected to the output of the NAND gate circuit.

作製したナノメカニカル・スイッチの電子顕微鏡写真を、図13に示す。梁の長さ、幅、高さはそれぞれ、約9.5μm、130nm、1.5μmであり、その表面に薄くWが堆積している。ゲート電極とナノメカニカル梁とのギャップは、小さな電圧でも大きな静電引力が働くように100nm程度にしてある。
An electron micrograph of the produced nanomechanical switch is shown in FIG. The length, width, and height of the beam are about 9.5 μm, 130 nm, and 1.5 μm, respectively, and thin W is deposited on the surface. The gap between the gate electrode and the nanomechanical beam is about 100 nm so that a large electrostatic attraction works even at a small voltage.

Claims (9)

静電駆動電圧を印加するゲート電極と、静電引力によって駆動でき最少加工寸法が1μm未満のナノメカニカル梁を有するソース電極と、前記ソース電極と電気的にオン・オフするドレイン電極とを持ち、前記ゲート電極に印加する電圧で、前記ナノメカニカル梁を駆動し、ソース−ドレイン間の電気的接点をオン・オフできるナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路であって、
前記ナノメカニカル・スイッチのソース電極を接地したSスイッチ、前記ナノメカニカル・スイッチのソース電極に電源電圧を加えたVスイッチ、前記Sスイッチのドレイン電極に別のスイッチのソース電極が直列に接続された2つのスイッチからなるSBスイッチ、および、前記Vスイッチのドレイン電極に別のスイッチのソース電極が直列に接続された2つのスイッチからなるVBスイッチの4種類を基本スイッチ要素とし、これらの基本スイッチ要素の複数を組み合わせることで構成されることを特徴とするナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路。
A gate electrode for applying an electrostatic driving voltage; a source electrode having a nanomechanical beam that can be driven by electrostatic attraction and has a minimum processing dimension of less than 1 μm; and a drain electrode that is electrically turned on and off with the source electrode; A digital circuit using a nanomechanical switch that drives the nanomechanical beam with a voltage applied to the gate electrode and can turn on and off an electrical contact between a source and a drain;
An S switch having the source electrode of the nanomechanical switch grounded, a V switch having a power supply voltage applied to the source electrode of the nanomechanical switch, and a source electrode of another switch connected in series to the drain electrode of the S switch The basic switch elements include four types of SB switches including two switches, and VB switches including two switches in which the source electrode of another switch is connected in series to the drain electrode of the V switch. A digital circuit using a nanomechanical switch, characterized by combining a plurality of
請求項1記載のナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るNORゲート回路であって、
前記VBスイッチおよび前記Sスイッチ2個の3つのスイッチ要素を並列につなぎ、前記VBスイッチの2つのゲート電圧を入力とし、その入力が前記Sスイッチのいずれか1つのゲート電極に接続され、前記3つのスイッチ要素のドレイン電極を電気的に接続して出力としたことを特徴とするNORゲート回路。
A NOR gate circuit comprising a digital circuit using the nanomechanical switch according to claim 1,
Three switch elements of the VB switch and the two S switches are connected in parallel, two gate voltages of the VB switch are input, and the input is connected to any one gate electrode of the S switch, A NOR gate circuit characterized in that the drain electrodes of two switch elements are electrically connected to provide an output.
請求項2記載のNORゲート回路の出力にNOTゲートを接続したことを特徴とするORゲート回路。   3. An OR gate circuit comprising a NOT gate connected to the output of the NOR gate circuit according to claim 2. 請求項1記載のナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るNANDゲート回路であって、
前記SBスイッチおよび前記Vスイッチ2個の3つのスイッチ要素を並列につなぎ、前記SBスイッチの2つのゲート電圧を入力とし、その入力が前記Vスイッチのいずれか1つのゲート電極に接続され、前記3つのスイッチ要素のドレイン電極を電気的に接続して出力としたことを特徴とするNANDゲート回路。
A NAND gate circuit comprising a digital circuit using the nanomechanical switch according to claim 1,
Three switch elements of the SB switch and the two V switches are connected in parallel, two gate voltages of the SB switch are input, and the input is connected to any one gate electrode of the V switch, A NAND gate circuit characterized in that drain electrodes of two switch elements are electrically connected to provide an output.
請求項4記載のNANDゲート回路の出力にNOTゲートを接続したことを特徴とするAND回路。   5. An AND circuit comprising a NOT gate connected to the output of the NAND gate circuit according to claim 4. 請求項1記載のナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るメモリー回路であって、
前記Sスイッチと前記Vスイッチとを並列に接続し、それぞれのゲート電極を電気的に接続して入力とし、それぞれのドレイン電極を電気的に接続して出力としたインバーターを2個有し、互いのインバーターの出力を別のインバーターの入力に接続することで、HighとLowの2つの状態を有し、外部から入力した状態を保持することができることを特徴とするメモリー回路。
A memory circuit comprising a digital circuit using the nanomechanical switch according to claim 1,
The S switch and the V switch are connected in parallel, each of the gate electrodes is electrically connected and used as an input, and each drain electrode is electrically connected and output as two inverters. By connecting the output of the inverter to the input of another inverter, the memory circuit has two states of High and Low and can hold the state inputted from the outside.
請求項1記載のナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路と、抵抗および/または容量とを有し、前記ナノメカニカル・スイッチのオン・オフ動作の閾値を利用して動作することを特徴とする閾値利用デジタル回路。   A threshold value comprising: a digital circuit using the nanomechanical switch according to claim 1; and a resistor and / or a capacitor, wherein the threshold value is operated using a threshold value of an on / off operation of the nanomechanical switch. Use digital circuit. 請求項7記載の閾値利用デジタル回路から成るADコンバーターであって、
前記ナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路を複数有し、入力電圧を複数の抵抗で分割し、その分割電圧のそれぞれを、対応するナノメカニカル・スイッチのゲート電極に接続し、前記閾値よりも大きな電圧で、各ナノメカニカル・スイッチのオン・オフが起こることを利用してアナログ・デジタル変換することを特徴とするADコンバーター。
An AD converter comprising the threshold value use digital circuit according to claim 7,
A plurality of digital circuits using the nanomechanical switch, the input voltage is divided by a plurality of resistors, and each of the divided voltages is connected to the gate electrode of the corresponding nanomechanical switch, and is larger than the threshold value. An AD converter that performs analog-to-digital conversion using the fact that each nanomechanical switch is turned on and off by voltage.
請求項7記載の閾値利用デジタル回路から成る発振素子であって、
前記ナノメカニカル・スイッチを利用したデジタル回路から成るインバーターの出力と入力との間に抵抗を接続し、前記入力に並列に容量を接続し、入力電圧が前記閾値の前後で、出力がHighとLowに変換することで発振することを特徴とする発振素子。
An oscillating device comprising the threshold-use digital circuit according to claim 7,
A resistor is connected between the output and input of an inverter composed of a digital circuit using the nanomechanical switch, a capacitor is connected in parallel with the input, and the output is high and low before and after the threshold voltage. An oscillation element characterized in that it oscillates by being converted to.
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