JP2923506B1 - Single electronic device integrated circuit device - Google Patents
Single electronic device integrated circuit deviceInfo
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Abstract
【要約】
【課題】 単一電子素子を論理回路の構成要素として用
いることを可能にする。
【解決手段】 複数の単一電子素子からなる、所定の論
理動作を行う論理ツリー10,20を備え、論理ツリー
に供給される高い電源の電位と低い電源の電位との電位
差が前記論理ツリーの入力として単一電子素子に入力さ
れる電圧の最大値と最小値の差よりも小さくなるように
構成されていることを特徴とする。A single electronic device can be used as a component of a logic circuit. The logic tree includes a plurality of single electronic elements and performs a predetermined logic operation and performs a predetermined logic operation. A potential difference between a high power supply potential and a low power supply potential supplied to the logic tree is determined by the logic tree. It is characterized in that it is configured to be smaller than the difference between the maximum value and the minimum value of the voltage input to the single electronic element as an input.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、一電子の帯電効果
を利用した単一電子素子の集積回路装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single-electron element integrated circuit device utilizing a one-electron charging effect.
【0002】[0002]
【従来の技術】現在の半導体産業は、その基本素子であ
るMOSFETを微細化することで、高速化・高性能化
をはかっている。ところが、MOSFETの微細化はす
でに極度に進み、このまま微細化を進めても高性能化を
推し進めていくことが難しくなりつつある。2. Description of the Related Art In the semiconductor industry at present, high speed and high performance are achieved by miniaturizing a MOSFET which is a basic element. However, the miniaturization of MOSFETs has already been extremely advanced, and it is becoming difficult to promote high performance even if miniaturization is advanced as it is.
【0003】一方で、このような微細加工技術の進展に
より、従来は見えてこなかった、あるいは重要ではなか
った物理的効果が顕在化する。そのような効果を積極的
に利用し、従来の電子デバイスとは異なった新しいデバ
イスを作製しようとする試みが、広く行われている。近
年、電子の帯電効果を利用したいわゆる単一電子素子と
よばれる素子が、その動作原理が原子レベルまで適用で
きることなどから特に注目を集めている。[0003] On the other hand, with the progress of such fine processing technology, physical effects that have not been seen or are not important conventionally become apparent. Attempts to produce new devices different from conventional electronic devices by actively utilizing such effects have been widely made. In recent years, elements called so-called single-electron elements utilizing the charging effect of electrons have attracted particular attention because their operating principles can be applied to the atomic level.
【0004】単一電子素子は、電子の局在領域となる島
(以下伝導島と呼ぶ)を少なくとも一つ、伝導島に接続
するトンネル接合を少なくとも一つ、また伝導島と容量
的に結合した外部電極を少なくとも一つ有する構造の電
子デバイスであり、例えば電子を一つずつ制御しながら
貯えられる電子トラップや、電流の流れのオン・オフを
電子一個の帯電で制御できるスイッチング素子、電子を
一個一個制御しながら伝送するいわゆるターンスタイル
素子や、ポンプ素子をつくることができる。これらの素
子については例えば「Single Charge T
unneling」,Plenum Press,19
92,ISBN 0−306−44229−9に詳し
い。A single electronic device has at least one island serving as a localized region of electrons (hereinafter referred to as a conductive island), at least one tunnel junction connected to the conductive island, and capacitively coupled to the conductive island. An electronic device that has at least one external electrode, such as an electron trap that stores electrons while controlling them one by one, a switching element that can control the on / off of current flow by charging one electron, and one electron. It is possible to make a so-called turn-style element or a pump element that transmits while controlling one piece. These elements are described in, for example, “Single Charge T
unneling ", Plenum Press, 19
92, ISBN 0-306-44229-9.
【0005】このような単一電子素子の中で、スイッチ
ング素子として最も基本的な素子である単一電子トラン
ジスタ(IEEE Transactions on
Magnetics,Vol.MAG−23,No.
2,1987,p1142参照)を代表例として、単一
電子素子の特徴を以下に述べる。[0005] Among such single-electron elements, a single-electron transistor (IEEE Transactions on), which is the most basic element as a switching element, is used.
Magnetics, Vol. MAG-23, No.
2, 1987, p1142) as a representative example.
【0006】単一電子トランジスタの基本構造を図15
に示す。単一電子トランジスタは図15に示すように、
一つの伝導島1、電極2,3、この伝導島2と電極2,
3で挟まれた二つのトンネル接合5,6、および伝導島
1に容量的に結合した一つの外部電極4を有する素子で
あって、外部電極4の電位によって、電極2、3間に流
れる電流を制御することが可能なデバイスである。慣例
に従い、外部電極4をゲート電極、電極2、3のうち、
バイアス電位が低い方の電極3をソース電極、高い方の
電極2をドレイン電極と呼ぶ。この単一電子トランジス
タの等価回路を図16に示す。図16の等価回路に示す
ように、各電極2,3,4と伝導島1との間のキャパシ
タをドレインキャパシタ7、ソースキャパシタ8、ゲー
トキャパシタ9と呼ぶ。FIG. 15 shows the basic structure of a single electron transistor.
Shown in As shown in FIG.
One conductive island 1, electrodes 2 and 3, this conductive island 2 and electrode 2,
3. An element having two tunnel junctions 5, 6 sandwiched by 3 and one external electrode 4 capacitively coupled to the conductive island 1, and a current flowing between the electrodes 2, 3 due to the potential of the external electrode 4. Is a device that can control According to a custom, the external electrode 4 is formed of the gate electrode and the electrodes 2 and 3,
The electrode 3 with the lower bias potential is called the source electrode, and the electrode 2 with the higher bias potential is called the drain electrode. FIG. 16 shows an equivalent circuit of this single electron transistor. As shown in the equivalent circuit of FIG. 16, capacitors between each of the electrodes 2, 3, 4 and the conductive island 1 are called a drain capacitor 7, a source capacitor 8, and a gate capacitor 9.
【0007】単一電子トランジスタの特性は、例えば上
述の文献「Single Charge Tunnel
ing」、Plenum Press,1992 IS
BN0−306−44229−9などに詳しく述べられ
ているので、ここではその本質的な部分についてのみ簡
単に説明する。まず、単一電子トランジスタのソース・
ドレイン間電流IDSのソース・ゲート間電圧VGSに対す
る依存特性の、計算機によるシミュレーション結果を図
17、18、19に示す(シミュレーションの方法につ
いては、例えば桑村らの電子情報通信学会 C−II V
ol.J77−C−II No.5pp.221−228
を参照)。これらの特性について、単一電子トランジス
タの特徴的なパラメータであるゲートキャパシタの静電
容量Cg、伝導島から見た全容量CΣ(今の場合には、
ソースキャパシタの静電容量、ドレインキャパシタの静
電容量とゲートキャパシタの静電容量の和)、および動
作温度Tを基に以下説明する。The characteristics of a single-electron transistor are described, for example, in the above-mentioned document “Single Charge Tunnel”.
ing ", Plenum Press, 1992 IS
Since it is described in detail in BN0-306-44229-9, etc., only the essential part will be briefly described here. First, the source of the single electron transistor
17, 18 and 19 show the results of computer simulation of the dependence of the drain-to-drain current I DS on the source-to-gate voltage V GS (for the method of simulation, see, eg, Kuwamura et al., IEICE C-II V
ol. J77-C-II No. 5pp. 221-228
See). These properties, single-electron electrostatic capacitance of the gate capacitor is a characteristic parameter of the transistor C g, in the case of the total capacity C sigma (now viewed from the conduction island,
The following description is based on the capacitance of the source capacitor, the sum of the capacitance of the drain capacitor and the capacitance of the gate capacitor), and the operating temperature T.
【0008】図17は、単一電子トランジスタのドレイ
ン電圧VDSが後述のいわゆるブロッケード電圧VB に対
して十分に小さい場合(VDS=5mV)のソース・ドレ
イン間電流IDSのゲート電圧依存特性を示すグラフであ
る。なお、動作温度Tは77Kである。図18は、単一
電子トランジスタのドレイン電圧VDSをパラメータとし
て変化させたときのソース・ドレイン間電流IDSのゲー
ト電圧依存特性を示すグラフであり、ドレイン電圧VDS
が54mV(VDS〜0.1VB )、270mV(VDS〜
0.5VB )、540mV(VDS〜VB )である場合の
特性グラフをグラフk1 ,k2 ,k3 に示す。なお、こ
の場合は動作温度Tは77Kである。図19は、単一電
子トランジスタの動作温度Tをパラメータとして変化さ
せたときのソース・ドレイン間電流IDSのゲート電圧依
存特性を示すグラフであり、動作温度Tが61K、12
2K、244Kである場合の特性グラフをグラフk4 ,
k5 ,k6 に示す。FIG. 17 shows the gate voltage dependence of the source-drain current I DS when the drain voltage V DS of the single-electron transistor is sufficiently smaller than the so-called blockade voltage V B (V DS = 5 mV). FIG. The operating temperature T is 77K. Figure 18 is a graph showing the gate voltage dependence of the source-drain current I DS when changing the drain voltage V DS of the single-electron transistor as a parameter, the drain voltage V DS
Is 54 mV (V DS 0.10.1 V B ) and 270 mV (V DS 0.1
0.5V B), shown in the graph k 1, k 2, k 3 a characteristic graph when a 540mV (V DS ~V B). In this case, the operating temperature T is 77K. FIG. 19 is a graph showing the gate voltage dependence of the source-drain current I DS when the operating temperature T of the single-electron transistor is changed as a parameter.
The characteristic graph in the case of 2K and 244K is represented by a graph k 4 ,
shown in k 5, k 6.
【0009】単一電子トランジスタのソース・ドレイン
間電流IDSは図17に示すように、ゲート電圧に従って
ON状態(IDSが高い状態)とOFF状態(IDSが低い
状態)を周期的に繰り返す。これは一般的にクーロン振
動と呼ばれており、振動のON状態とOFF状態を完全
に切り替えるには、入力電圧(ゲート電圧)の振幅がe
/(2Cg)だけ必要である。一方、図18、19に示
すように、ドレイン電圧VDSが大きくなるか、動作温度
Tが高くなると、クーロン振動の最小電流は指数関数的
に増加し、ついにはスイッチング動作を行わなくなる。
その指標となるのが、ドレイン電圧VDSに対してはブロ
ッケード電圧VB =e/CΣであり、温度に対しては帯
電エネルギーEc=e2 /(2CΣ)である。すなわ
ち、ボルツマン定数をkB とすると、次の条件 VDS < e/CΣ kB T < e2 /(2CΣ) が要求され、スイッチング素子としての基本的な性能で
あるON/OFF比(IDSの最大値と最小値との比)
は、ソース・ドレイン間電圧VDSをブロッケード電圧V
B よりも十分小さく、動作温度Tを、帯電エネルギーE
cをボルツマン定数kB で割った値よりも十分小さくす
ることで向上する。単一電子トランジスタが持つ全容量
CΣの観点からいえば、全容量CΣが大きくなると、同
じ動作温度T、ソース・ドレイン間電圧VDSのもとで
は、ON/OFF比は劣化することになる。As shown in FIG. 17, the source-drain current I DS of the single-electron transistor periodically repeats an ON state (state where I DS is high) and an OFF state (state where I DS is low) in accordance with the gate voltage. . This is generally called Coulomb oscillation. To completely switch the oscillation between the ON state and the OFF state, the amplitude of the input voltage (gate voltage) is e.
Only / (2C g ) is required. On the other hand, as shown in FIGS. 18 and 19, when the drain voltage V DS increases or the operating temperature T increases, the minimum current of the Coulomb oscillation increases exponentially, and finally the switching operation is not performed.
Become its index, with respect to the drain voltage V DS is a blockade voltage V B = e / C Σ, for the temperature at which charging energy E c = e 2 / (2C Σ). That is, when the Boltzmann constant and k B, the following conditions V DS <e / C Σ k B T <e 2 / (2C Σ) is requested, the basic performance and is ON / OFF ratio as a switching element ( the ratio between the maximum and minimum values of I DS)
Changes the source-drain voltage V DS to the blockade voltage V
B, which is sufficiently smaller than the operating temperature T and the charging energy E
It is improved by making c sufficiently smaller than a value obtained by dividing c by Boltzmann's constant k B. From the viewpoint of the total capacitance C が of the single-electron transistor, when the total capacitance C 大 き く increases, the ON / OFF ratio deteriorates under the same operating temperature T and the source-drain voltage V DS. Become.
【0010】ところで、CMOS等を用いた従来の論理
回路においては、各要素素子に対して、入力電圧の振幅
(入力電圧の最大電圧と最小電圧の差)と出力電圧の振
幅が等しくなることを要求してきた。これは、集積回路
が多数の要素回路から成り立ち、各要素回路の出力が別
の要素回路の入力となることを考えれば当然である。従
って、従来の論理回路の電界効果トランジスタを単一電
子トランジスタで置き換えて使用するには、単一電子ト
ランジスタの入力電圧の振幅と出力電圧の振幅が同程度
になる必要がある。In a conventional logic circuit using a CMOS or the like, the amplitude of the input voltage (difference between the maximum voltage and the minimum voltage of the input voltage) and the amplitude of the output voltage are equal for each element element. Requested. This is natural considering that an integrated circuit is composed of a large number of element circuits, and the output of each element circuit becomes the input of another element circuit. Therefore, in order to replace the field-effect transistor of the conventional logic circuit with a single-electron transistor, it is necessary that the amplitude of the input voltage and the amplitude of the output voltage of the single-electron transistor be substantially the same.
【0011】すでに述べたように、単一電子トランジス
タのON状態とOFF状態を完全に切り替えるために
は、入力電圧(ゲート電圧)の振幅はe/(2Cg)必
要である。この入力電圧と同程度の出力電圧、すなわち
e/(2Cg)を得るためには、単一電子トランジスタ
への電源電圧はe/(2Cg)以上であることが要求さ
れ、従って単一電子トランジスタのソース・ドレイン間
にはe/(2Cg)以上の電圧が、動作状態によっては
印加されることになる。ここで、Cg<CΣの関係があ
るため、これは電源電圧がe/(2CΣ)よりも大きく
なる(すなわちVDS>0.5VB )ことを意味し、クー
ロン振動電流の最小値の上昇、ひいてはON/OFF比
の著しい劣化を招くことになる。計算機によるシミュレ
ーションによれば、動作温度がkB T=0.01e2 /
(2CΣ)の時、ON/OFF比はVD =0.1VB の
場合に比べてVD =0.5VB の時に、2×10-17程
度劣化する。As described above, the amplitude of the input voltage (gate voltage) needs to be e / (2 C g ) to completely switch the ON state and the OFF state of the single electron transistor. In order to obtain an output voltage equivalent to this input voltage, that is, e / (2C g ), the power supply voltage to the single-electron transistor is required to be equal to or more than e / (2C g ). A voltage of e / (2C g ) or more is applied between the source and the drain of the transistor depending on the operation state. Here, since there is a relationship of C g <C Σ , this means that the power supply voltage becomes larger than e / (2C すなわ ち ) (that is, V DS > 0.5 V B ), and the minimum value of the Coulomb oscillation current , And consequently the ON / OFF ratio is remarkably deteriorated. According to computer simulation, the operating temperature is k B T = 0.01e 2 /
At ( 2CΣ ), the ON / OFF ratio deteriorates by about 2 × 10 −17 when V D = 0.5 V B as compared with the case where V D = 0.1 V B.
【0012】また、図18に示すようにドレイン電圧V
DSを大きくするほど、ゲート電圧依存性はドレイン電圧
の極性と同方向に、同程度(ソース容量とドレイン容量
およびソース抵抗とドレイン抵抗が等しいときには0.
5VDSだけ)シフトする。このことはゲート電圧VGSが
零ボルトのときのソース・ドレイン間電流IDSをより大
きくする。このため、単一電子トランジスタを電界効果
トランジスタの単なる置き換えとして利用することをほ
とんど不可能にしている。Also, as shown in FIG.
As DS is increased, the gate voltage dependence is in the same direction and in the same direction as the polarity of the drain voltage.
5V DS ). This makes the source-drain current I DS larger when the gate voltage V GS is zero volts. This makes it almost impossible to use single-electron transistors simply as replacements for field-effect transistors.
【0013】そこで、図20に示すように、図16に示
す単一電子トランジスタの伝導島1にもう1つの制御電
極4aをキャパシタ9aを介して結合させることによっ
て、ドレイン電圧によるゲート電圧依存特性がシフトす
るのをキャンセルし、これにより単一電子トランジスタ
を電界効果トランジスタの置き換えとして利用する思想
がTuckerにより提案されている(Journal
of Applied Physics,vol.7
2,1992,p4399参照)。しかしながら、制御
ゲートを増やしたことにより、全容量CΣは上昇し、ブ
ロッケード電圧VB はより小さくなり、ON/OFF比
のさらなる劣化をもたらす。Tuckerの提案によれ
ばソース・ドレイン間電圧VDSは0.75VB としてお
り、ON/OFF比は著しく劣化する。このON/OF
F比の劣化のため、出力電位の振幅が漸減し、ついには
次段の論理ゲートを駆動することが不可能になると考え
られる。Therefore, as shown in FIG. 20, by connecting another control electrode 4a to the conduction island 1 of the single electron transistor shown in FIG. 16 via the capacitor 9a, the gate voltage dependency due to the drain voltage is reduced. The idea of canceling the shift and thus using a single electron transistor as a replacement for a field effect transistor has been proposed by Tucker (Journal).
of Applied Physics, vol. 7
2, 1992, p4399). However, by increasing the control gate, the total capacitance C sigma rises, blockade voltage V B becomes smaller, resulting in further deterioration of the ON / OFF ratio. According to Tucker's proposal, the source-drain voltage V DS is 0.75 V B , and the ON / OFF ratio is significantly deteriorated. This ON / OF
It is considered that due to the deterioration of the F ratio, the amplitude of the output potential gradually decreases, and eventually, it becomes impossible to drive the next-stage logic gate.
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】以上見てきたように、
単一電子トランジスタを従来のような論理回路に適用す
るために、入力電圧の振幅と出力電圧の振幅を等しくし
ようとすると、ON/OFF比が著しく劣化するという
問題があった。またドレイン電圧の印加によってゲート
電圧依存特性がシフトするため、単一電子トランジスタ
を電界効果トランジスタの完全な置き換えとして利用す
ることはほとんど不可能であるという問題があった。こ
の問題を無くするために、単一電子トランジスタに第2
のゲートを付加する方法が提案されているが、この方法
に従うと全容量が増加し、ON/OFF比がさらに劣化
するという問題があった。SUMMARY OF THE INVENTION As has been seen above,
If the amplitude of the input voltage is made equal to the amplitude of the output voltage in order to apply a single-electron transistor to a conventional logic circuit, the ON / OFF ratio is significantly deteriorated. Further, since the gate voltage dependence characteristic is shifted by the application of the drain voltage, there is a problem that it is almost impossible to use a single electron transistor as a complete replacement of a field effect transistor. To eliminate this problem, a single electron transistor with a second
Has been proposed, but according to this method, the total capacity increases and the ON / OFF ratio further deteriorates.
【0015】また、別の問題として、単一電子トランジ
スタは、図17に示すように、ゲート電圧VGSの限られ
た領域でのみON状態になることから、ドレインの電位
をソースに伝達することが困難であるという問題があっ
た。すなわち、ドレインの電位をソースに伝達すること
が、ソース電位の上昇、ひいてはゲート・ソース間電位
の低下を招き、単一電子トランジスタが遮断するという
問題があった。このため、単一電子トランジスタを伝送
ゲートとして使用する際には、ソース電位をドレインに
伝えることに比べ、ドレイン電位をソースに伝えること
が困難であるという問題があった。このため、コンプリ
メンタリ・パス・トランジスタ・ロッジック(IEEE
Journal of Solid−State C
ircuits,vol.25,no.2,1990,
p308参照)のようなCMOS伝送トランジスタ論理
に適用することが困難であるという問題があり、やはり
CMOS類似の大規模な集積回路を、単一電子トランジ
スタのみでは構築しにくいという問題があった。Another problem is that the single-electron transistor is turned on only in a limited region of the gate voltage V GS as shown in FIG. 17, so that the potential of the drain is transmitted to the source. There was a problem that was difficult. In other words, transmitting the potential of the drain to the source causes an increase in the source potential and, consequently, a decrease in the potential between the gate and the source. Therefore, when a single-electron transistor is used as a transmission gate, there is a problem that it is more difficult to transmit a drain potential to a source than to transmit a source potential to a drain. For this reason, Complementary Pass Transistor Logic (IEEE)
Journal of Solid-State C
ircuits, vol. 25, no. 2, 1990,
(see p. 308) is difficult to apply to CMOS transmission transistor logic, and it is also difficult to construct large-scale integrated circuits similar to CMOS using only single-electron transistors.
【0016】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
であって、単一電子素子を論理回路の構成素子として用
いることのできる単一電子素子の集積回路装置を提供す
ることを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an integrated circuit device of a single electronic device that can use a single electronic device as a component of a logic circuit. .
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】本発明による単一電子素
子の集積回路装置は、複数の単一電子素子からなる、所
定の論理動作を行う論理ツリーを備え、前記論理ツリー
に供給される高い電源の電位と低い電源の電位との電位
差が前記論理ツリーの入力として前記単一電子素子に入
力される電圧の最大値と最小値の差よりも小さくなるよ
うに構成されていることを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION A single-electronic-element integrated circuit device according to the present invention comprises a logic tree, comprising a plurality of single-electronic elements, performing a predetermined logical operation. The potential difference between the power supply potential and the low power supply potential is configured to be smaller than the difference between the maximum value and the minimum value of the voltage input to the single electronic element as the input of the logic tree. I do.
【0018】また、前記論理ツリーの出力を受ける増幅
器を備えているように構成することが好ましい。Further, it is preferable that an amplifier for receiving the output of the logic tree be provided.
【0019】また、前記論理ツリーに供給される高い電
源の電位と低い電源の電位との電位差は、前記増幅器に
供給される高い電源の電位と低い電源の電位との電位差
よりも小さくすることが好ましい。The potential difference between the high power supply potential and the low power supply potential supplied to the logic tree may be smaller than the potential difference between the high power supply potential and the low power supply potential supplied to the amplifier. preferable.
【0020】さらに、増幅器に供給される高い電源の電
位と低い電源の電位は、単一電子素子に入力される電圧
の最大値と最小値に等しいのが好ましい。Further, it is preferable that the potential of the high power supply and the potential of the low power supply supplied to the amplifier are equal to the maximum value and the minimum value of the voltage input to the single electronic device.
【0021】また、単一電子素子からなり、制御クロッ
クに基づいて前記論理ツリーを充放電する充放電回路を
備えるように構成しても良い。Further, a charge / discharge circuit comprising a single electronic element and charging / discharging the logic tree based on a control clock may be provided.
【0022】[0022]
【発明の実施の形態】本発明による単一電子素子の集積
回路装置の第1の実施の形態の構成を図1に示す。この
実施の形態の集積回路装置は、縦続接続された2個の単
一電子トランジスタ10,20と、負荷キャパシタ33
とを備えている。単一電子トランジスタ10はドレイン
電極12が単一電子トランジスタ20のソース電極23
と接続され、ソース電極13が接地され、ゲート電極1
4に第1の入力信号が入力される構成となっている。ま
た、単一電子トランジスタ20は、ドレイン電極22が
負荷キャパシタ33の一端に接続され、ゲート電極24
に第2の入力信号が入力される構成となっている。なお
負荷キャパシタ33の他端は接地される構成となってい
る。また単一電子トランジスタ10と単一電子トランジ
スタ20との共通接続点には浮遊キャパシタ31が形成
される。なお、図1において、符号11,21は単一電
子トランジスタ10,20の伝導島を各々示している。FIG. 1 shows the structure of a first embodiment of an integrated circuit device having a single electronic device according to the present invention. The integrated circuit device of this embodiment includes two cascade-connected single electron transistors 10 and 20 and a load capacitor 33.
And In the single electron transistor 10, the drain electrode 12 is the source electrode 23 of the single electron transistor 20.
, The source electrode 13 is grounded, and the gate electrode 1
4 is configured to receive a first input signal. In the single electron transistor 20, the drain electrode 22 is connected to one end of the load capacitor 33, and the gate electrode 24
To the second input signal. The other end of the load capacitor 33 is configured to be grounded. A floating capacitor 31 is formed at a common connection point between the single electron transistor 10 and the single electron transistor 20. In FIG. 1, reference numerals 11 and 21 indicate conductive islands of the single electron transistors 10 and 20, respectively.
【0023】図1に示す構成から分かるように、この実
施の形態の集積回路装置は、負荷キャパシタ33の電荷
を、2個の単一電子トランジスタ10,20からなる論
理ツリーによって放電する2入力のNAND回路となっ
ている。この放電は単一電子トランジスタ10,20の
各々のゲート電極14,24に入力される第1,第2の
入力信号に基づいて行われる。なお、上記実施の形態の
集積回路装置の出力信号は、単一電子トランジスタ20
のドレイン電極22と負荷キャパシタ33との接続点3
5から出力される。As can be seen from the configuration shown in FIG. 1, the integrated circuit device according to the present embodiment has a two-input circuit that discharges the charge of the load capacitor 33 by a logic tree including two single electron transistors 10 and 20. It is a NAND circuit. This discharge is performed based on the first and second input signals input to the gate electrodes 14 and 24 of the single electron transistors 10 and 20, respectively. The output signal of the integrated circuit device of the above embodiment is
3 between the drain electrode 22 and the load capacitor 33
5 is output.
【0024】この実施の形態の集積回路装置において、
入力信号の論理“0”は0ボルトで、入力信号の論理
“1”はe/(2Cg )ボルトで表され、出力信号の論
理“0”は0ボルトで、出力信号の論理“1”を示す電
位は負荷容量33の初期の蓄積電荷と出力ノード35の
全容量との比で表される。In the integrated circuit device of this embodiment,
Logic input signal "0" is zero volts, the logic of the input signal "1" is represented by e / (2C g) volts, the logic of the output signal "0" at 0 volts, the logic of the output signal "1" Is represented by the ratio of the initial accumulated charge of the load capacitance 33 to the total capacitance of the output node 35.
【0025】ここでeは電荷素量を示し、Cg は単一電
子トランジスタ10,20の各々のゲートキャパシタの
容量を示している。Here, e indicates the elementary charge amount, and C g indicates the capacitance of each gate capacitor of the single electron transistors 10 and 20.
【0026】この実施の形態においては、単一電子トラ
ンジスタ10,20を論理回路(NAND回路)の構成
素子として動作させるために、出力信号の振幅(すなわ
ち縦続接続された2個の単一電子トランジスタ10,2
0からなる論理ツリーの電源電圧)を入力信号の振幅よ
り小さくなるように構成している。これを図2および図
3に示すシミュレーション結果を用いて説明する。In this embodiment, in order to operate the single electron transistors 10 and 20 as components of a logic circuit (NAND circuit), the amplitude of an output signal (that is, two cascade-connected single electron transistors) is used. 10,2
The configuration is such that the power supply voltage of a logical tree consisting of 0) is smaller than the amplitude of the input signal. This will be described with reference to simulation results shown in FIGS.
【0027】図2は本実施の形態の集積回路装置の単一
電子トランジスタ10,20のゲート電極14,24に
同一の入力信号(図2のグラフg1 )が入力されたとき
の、出力ノード35から出力される出力信号(図2のグ
ラフg2 )をシミュレーションによって求めたものであ
る。このシミュレーションにおいては、単一電子トラン
ジスタ10,20のトンネル接合15,16,25,2
6の各々の抵抗を500kΩ、ソースキャパシタ18,
28の各々の容量を0.1aF、ドレインキャパシタ1
7,27の各々の容量を0.1aF、ゲートキャパシタ
19,29の各々の容量を各々0.1aFとして計算し
た。また負荷キャパシタ33の容量を1fF、浮遊キャ
パシタ31の容量を5aF、動作温度Tを77k、負荷
キャパシタ33に蓄えられている初期電荷量を500e
とした。FIG. 2 shows an output node when the same input signal (graph g 1 in FIG. 2) is input to the gate electrodes 14 and 24 of the single electron transistors 10 and 20 of the integrated circuit device according to the present embodiment. The output signal (graph g 2 in FIG. 2 ) output from 35 is obtained by simulation. In this simulation, the tunnel junctions 15, 16, 25, 2 of the single electron transistors 10, 20
6, the resistance of each of the source capacitors 18 and 500 kΩ.
28 each have a capacitance of 0.1 aF and a drain capacitor 1
The calculations were performed on the assumption that the capacitance of each of the gate capacitors 7 and 27 was 0.1 aF and the capacitance of each of the gate capacitors 19 and 29 was 0.1 aF. The capacity of the load capacitor 33 is 1 fF, the capacity of the floating capacitor 31 is 5 aF, the operating temperature T is 77 k, and the initial charge amount stored in the load capacitor 33 is 500 e.
And
【0028】なお、これらの値は代表的な値の1つであ
り、本実施の形態の動作は、これらのパラメータに限定
されるものでないことは言うまでもない。以上のパラメ
ータを用いると、入力信号電圧は論理“0”で0V、論
理“1”でe/(2Cg )〜0.8Vとなり、出力信号
電圧は論理“0”で0V、論理“1”でおよそ500e
/(CF )〜0.08Vとなる。すなわち、出力信号電
圧の振幅(あるいは電源電圧)を入力信号電圧の振幅の
1/10にしている。このとき、図2に示すように、す
べての単一電子トランジスタ10,20の入力が論理
“0”の間は、出力は論理“1”を保っており、入力が
論理“1”になった後、出力は論理“0”まで放電され
ている(図2のグラフg1 ,g2 参照)一方、負荷キャ
パシタ33に蓄えられている初期電荷量を5000eと
する以外は、上述のシミュレーションと同一のパラメー
タを用いた場合、すなわち入力の振幅と出力の振幅を共
に0.8Vとした場合のシミュレーション結果を図3に
示す。図3においてg1 は入力波形を示し、g3 は出力
波形を示している。Note that these values are one of typical values, and it goes without saying that the operation of the present embodiment is not limited to these parameters. With the above parameters, the input signal voltage is 0V at logic "0", a logic "1" at e / (2C g) ~0.8V and the output signal voltage is 0V at logic "0", a logic "1" About 500e
/ (C F ) to 0.08V. That is, the amplitude of the output signal voltage (or the power supply voltage) is set to 1/10 of the amplitude of the input signal voltage. At this time, as shown in FIG. 2, while the inputs of all the single electron transistors 10 and 20 are logic "0", the output keeps the logic "1" and the input becomes the logic "1". after the output has been discharged to a logic "0" (see graph g 1, g 2 in FIG. 2) on the other hand, except that the 5000e initial amount of charge accumulated in the load capacitor 33, identical to the above-described simulation FIG. 3 shows a simulation result in the case where the above parameters are used, that is, when the input amplitude and the output amplitude are both set to 0.8V. G 1 represents an input waveform in FIG. 3, g 3 shows the output waveform.
【0029】この図3から分かるように、すべての単一
電子トランジスタ10,20の入力が論理“0”の間
も、出力は漸減し論理“1”の状態を保てていない。す
なわち、図1に示す集積回路装置は論理回路としての動
作はしないことになる。これは、ドレイン電圧の増加に
よって、単一電子トランジスタ10,20のOFFリー
ク電流が上昇するためである。As can be seen from FIG. 3, while the inputs of all the single electron transistors 10, 20 are at logic "0", the outputs gradually decrease and do not maintain the state of logic "1". That is, the integrated circuit device shown in FIG. 1 does not operate as a logic circuit. This is because the OFF leak current of the single electron transistors 10 and 20 increases due to the increase in the drain voltage.
【0030】ソース・ドレイン容量を減らすと、全容量
CΣが減るため、OFFリーク電流が減少し、特性を若
干改善することができるが、これは単一電子トランジス
タの作製をより困難なものとし、さらには単一電子トラ
ンジスタの駆動力をそこなう可能性もある。When the source-drain capacitance is reduced, the total capacitance CΣ is reduced, so that the OFF leak current is reduced and the characteristics can be slightly improved, but this makes the fabrication of a single-electron transistor more difficult. In addition, there is a possibility that the driving force of the single-electron transistor is impaired.
【0031】このように単一電子トランジスタからなる
論理ツリーの駆動電源の電圧(論理ツリーに供給される
高い電源の電位と低い電源の電位との電位差)が入力信
号電圧の最大値と最小値との差以上の場合は、論理ツリ
ーは正常の論理動作は行わないことになる。As described above, the voltage of the driving power supply (the potential difference between the high power supply potential and the low power supply potential supplied to the logic tree) of the logic tree composed of single electron transistors is determined by the maximum value and the minimum value of the input signal voltage. If the difference is greater than or equal to, the logical tree will not perform a normal logical operation.
【0032】これは、図1に示す集積回路装置の単一電
子トランジスタ10,20の伝導島11,21にキャパ
シタ19a,29aを介して接続するように制御電極1
4a,24aを設けた、図4に示す構成の集積回路装置
においも同様である。この図4に示す集積回路装置にお
いて、出力ノード35から出力される出力信号電圧を単
一電子トランジスタ10,20の制御電極14,24に
入力される入力信号電圧と同じ値(0.8V)とした場
合のシミュレーション結果を図5に示す。なおこのシミ
ュレーションにおいては、制御電極14a,24aの容
量19a,29aは各々0.1aFとし、他のパラメー
タは図3のシミュレーションと同一とした。The control electrode 1 is connected to the conductive islands 11 and 21 of the single electron transistors 10 and 20 of the integrated circuit device shown in FIG. 1 via the capacitors 19a and 29a.
The same applies to the integrated circuit device having the configuration shown in FIG. 4 provided with 4a and 24a. In the integrated circuit device shown in FIG. 4, the output signal voltage output from output node 35 is set to the same value (0.8 V) as the input signal voltage input to control electrodes 14 and 24 of single electron transistors 10 and 20. FIG. 5 shows a simulation result in the case of performing the above. In this simulation, the capacitances 19a and 29a of the control electrodes 14a and 24a were each set to 0.1 aF, and the other parameters were the same as those in the simulation of FIG.
【0033】図5のグラフg1 は単一電子トランジスタ
10,20のゲート電極14,24に入力される入力信
号の波形であり、グラフg2 は出力ノード35から出力
される出力信号の波形である。この図5から分かるよう
に、単一電子トランジスタ10,20の入力が論理
“0”の間も、出力電圧は低下し、論理“1”の状態を
保つことができない。これはドレイン電圧の増加するこ
とによって単一電子トランジスタ10,20のOFFリ
ーク電流が多くなったことと、ゲート電極14a,24
aの付加により、全容量CΣが増加したためである。The graph g 1 in FIG. 5 is a waveform of an input signal input to the gate electrodes 14 and 24 of the single-electron transistor 10 and 20, the graph g 2 is the waveform of the output signal outputted from the output node 35 is there. As can be seen from FIG. 5, while the inputs of the single electron transistors 10 and 20 are at logic "0", the output voltage drops and the state of logic "1" cannot be maintained. This is because the OFF leak current of the single electron transistors 10 and 20 increased due to the increase in the drain voltage, and the gate electrodes 14a and 24
This is because the addition of a increased the total capacitance C Σ .
【0034】図1に示す第1の実施の形態の単一電子素
子の集積回路装置においては、単一電子トランジスタか
ら構成される論理ツリー(論理回路)はNAND回路で
あった。しかし図6に示すように単一電子トランジスタ
10,20を並列に接続したNOR回路であっても、出
力ノード35から出力される出力信号電圧の振幅が、単
一電子トランジスタ10,20のゲート電極14,24
に入力される入力信号電圧の振幅よりも小さくなるよう
に構成されていれば、図6に示す、単一電子トランジス
タの集積回路装置も第1の実施の形態と同様の効果を奏
することは言うまでもない。In the integrated circuit device having a single electronic element according to the first embodiment shown in FIG. 1, the logic tree (logic circuit) composed of single electron transistors is a NAND circuit. However, even in a NOR circuit in which the single-electron transistors 10 and 20 are connected in parallel as shown in FIG. 6, the amplitude of the output signal voltage output from the output node 35 is limited by the gate electrodes of the single-electron transistors 10 and 20. 14,24
It is needless to say that the single-electron transistor integrated circuit device shown in FIG. 6 also has the same effect as that of the first embodiment if it is configured to be smaller than the amplitude of the input signal voltage inputted to the first embodiment. No.
【0035】次に本発明による単一電子素子の集積回路
装置の第2の実施の形態の構成を図7に示す。この第2
の実施の形態の集積回路装置は、図1に示す第1の実施
の形態の出力ノード35に増幅器としてCMOSインバ
ータ40を接続した構成となっている。このCMOSイ
ンバータ40はP型MOS電界効果トランジスタ41と
n型MOS電界効果トランジスタ42とから構成され
る。そしてトランジスタ41のソースは駆動電源45に
接続され、トランジスタ42のソースは接地されてい
る。また、CMOSインバータ40の入力端は、単一電
子トランジスタ10,20から構成される論理ツリーの
出力ノード35に接続され、CMOSインバータ40の
出力端43はキャパシタ47を介して接地される。この
実施の形態の集積回路装置は、最終的な出力がCMOS
インバータを介して出力されるため、AND動作を行う
ようになっている。Next, the configuration of a second embodiment of the integrated circuit device having a single electronic device according to the present invention is shown in FIG. This second
The integrated circuit device according to the second embodiment has a configuration in which a CMOS inverter 40 is connected as an amplifier to the output node 35 according to the first embodiment shown in FIG. The CMOS inverter 40 includes a P-type MOS field effect transistor 41 and an n-type MOS field effect transistor 42. The source of the transistor 41 is connected to the drive power supply 45, and the source of the transistor 42 is grounded. The input terminal of the CMOS inverter 40 is connected to the output node 35 of the logic tree composed of the single electron transistors 10 and 20, and the output terminal 43 of the CMOS inverter 40 is grounded via the capacitor 47. In the integrated circuit device of this embodiment, the final output is CMOS.
Since the signal is output via the inverter, an AND operation is performed.
【0036】この第2の実施の形態においても第1の実
施の形態と同様に、論理ツリーの出力ノード35から出
力される出力信号電圧の振幅は、論理ツリーを構成する
単一電子トランジスタ10,20のゲート電極14,2
4に入力される入力信号電圧の振幅よりも小さくなるよ
うに構成されている。例えば負荷キャパシタ33の初期
電荷量を500eとして、上記出力信号電圧の振幅を上
記入力信号電圧の1/10となるように構成する。In the second embodiment, as in the first embodiment, the amplitude of the output signal voltage output from the output node 35 of the logic tree is the same as that of the single electron transistors 10 and 10 constituting the logic tree. 20 gate electrodes 14, 2
4 is configured to be smaller than the amplitude of the input signal voltage. For example, the initial charge amount of the load capacitor 33 is set to 500e, and the amplitude of the output signal voltage is configured to be 1/10 of the input signal voltage.
【0037】この第2の実施の形態の集積回路装置の動
作のシミュレーション結果を図8に示す。このシミュレ
ーションに用いた各素子のパラメータは次の通りであ
る。単一電子トランジスタ10,20の各々のトンネル
接合15,16,25,26の抵抗を500kΩ、ソー
スキャパシタ18,28の容量を0.1aF、ドレイン
キャパシタ17,27の容量を0.1aF、ゲートキャ
パシタ19,29の容量を0.1aF、論理ツリーの出
力ノード35の負荷キャパシタ33の容量を1fF、C
MOSインバータ40の出力ノード(論理出力の出力ノ
ード)43の負荷キャパシタ47の容量を10fFとし
た。また、単一電子トランジスタ10,20同士を接続
している接点の浮遊キャパシタ31の容量を5aF、動
作温度Tを300kとし、更に出力ノード43の負荷キ
ャパシタ47にはノード43の電圧が80mV程度とな
るような初期電荷が貯えられているとした。FIG. 8 shows a simulation result of the operation of the integrated circuit device according to the second embodiment. The parameters of each element used in this simulation are as follows. The resistance of each of the tunnel junctions 15, 16, 25, 26 of the single electron transistors 10, 20 is 500 kΩ, the capacitance of the source capacitors 18, 28 is 0.1 aF, the capacitance of the drain capacitors 17, 27 is 0.1 aF, and the gate capacitor The capacitance of the load capacitor 33 at the output node 35 of the logic tree is 1 fF,
The capacity of the load capacitor 47 of the output node (output node of the logical output) 43 of the MOS inverter 40 was set to 10 fF. The capacitance of the floating capacitor 31 at the contact connecting the single-electron transistors 10 and 20 is 5 aF, the operating temperature T is 300 k, and the voltage of the output capacitor 43 at the output node 43 is about 80 mV. It is assumed that such initial charges are stored.
【0038】図8に示すグラフg1 は単一電子トランジ
スタ10,20のゲート電極14,24に入力される入
力信号の波形図であり、グラフg2 は論理ツリーの出力
ノード35から出力される出力信号の波形図であり、グ
ラフg5 はCMOSインバータ40の出力ノード43か
ら出力される出力信号の波形図である。図18から分か
るように、本実施の形態においては、入力信号(グラフ
g1 )と出力信号(グラフg5 )の振幅が0.8Vと同
一となっている。The graph g 1 shown in FIG. 8 is a waveform diagram of an input signal input to the gate electrodes 14 and 24 of the single-electron transistor 10 and 20, the graph g 2 is output from the output node 35 of the logic tree it is a waveform diagram of the output signal, the graph g 5 is a waveform diagram of an output signal output from the output node 43 of the CMOS inverter 40. As can be seen from FIG. 18, in the present embodiment, the amplitude of the input signal (graph g 1 ) and the amplitude of the output signal (graph g 5 ) are the same as 0.8V.
【0039】このように本実施の形態の集積回路装置に
おいては、入力信号の振幅と出力信号の振幅が同一とな
るため、次段に論理回路例えば、同様の論理ツリーなど
を接続した場合にこの論理回路を完全に駆動できる。こ
れにより本実施の形態の装置を集積回路内の論理回路と
して用いることができる。また本実施の形態において
は、出力がCMOSインバータ40からなされるため、
単一電子トランジスタの欠点である高い出力インピーダ
ンスが、CMOSの低い出力インピーダンスに変換され
ることとなり、より高速に重い負荷(大きな容量性負
荷)をも駆動することが可能となっている。As described above, in the integrated circuit device of the present embodiment, the amplitude of the input signal and the amplitude of the output signal are the same, so that when a logic circuit such as a similar logic tree is connected to the next stage, The logic circuit can be completely driven. Thus, the device of this embodiment can be used as a logic circuit in an integrated circuit. Further, in the present embodiment, since the output is made from CMOS inverter 40,
The high output impedance, which is a drawback of the single-electron transistor, is converted into the low output impedance of the CMOS, and it is possible to drive a heavy load (large capacitive load) at a higher speed.
【0040】この第2の実施の形態では増幅器としてC
MOSインバータ40を用いたが、CMOSインバータ
の代わりに、作動アンプや、ラッチなどの他の増幅動作
を行う回路を使用することが可能である。また、MOS
型電界効果トランジスタではなく、接合型電界効果トラ
ンジスタや、バイポーラ・トランジスタなどを使用した
増幅回路をCMOSインバータ40の代わりに使用する
ことも、もちろん可能である。さらには、接合型電界効
果トランジスタやバイポーラ・トランジスタが混載化し
た、いわゆるオペ・アンプのような回路を上記増幅回路
に使用することも可能である。In the second embodiment, the amplifier is C
Although the MOS inverter 40 is used, instead of the CMOS inverter, it is possible to use a circuit for performing another amplifying operation such as an operational amplifier or a latch. Also, MOS
Of course, an amplifier circuit using a junction field effect transistor, a bipolar transistor, or the like instead of the field effect transistor can be used instead of the CMOS inverter 40. Further, a circuit such as a so-called operational amplifier in which a junction field-effect transistor and a bipolar transistor are mixed can be used for the amplifier circuit.
【0041】次に本発明による単一電子素子の集積回路
装置の第3の実施の形態の構成を図9に示す。この第3
の実施の形態の集積回路装置は、図7に示す第2の実施
の形態の集積回路装置に充電用の単一電子トランジスタ
50と、放電用の単一電子トランジスタ60とを設けた
構成となっている。FIG. 9 shows the configuration of a third embodiment of the integrated circuit device having a single electronic device according to the present invention. This third
The integrated circuit device according to the second embodiment has a configuration in which a single electron transistor 50 for charging and a single electron transistor 60 for discharging are provided in the integrated circuit device according to the second embodiment shown in FIG. ing.
【0042】充電用の単一電子トランジスタ50は、電
源37とノード35の間に設けられており、単一電子ト
ランジスタ50のゲート電極54には外部から入力され
る制御クロックの反転信号が入力される。また放電用の
単一電子トランジスタ60は単一電子トランジスタ10
のソース電極と接地電源との間に設けられており、単一
電子トランジスタ60のゲート電極64には上記制御ク
ロックが入力される。なお、単一電子トランジスタ10
と単一電子トランジスタ60との共通接続点には浮遊キ
ャパシタ31aが形成される。The single electron transistor 50 for charging is provided between the power supply 37 and the node 35, and an inverted signal of a control clock input from the outside is input to the gate electrode 54 of the single electron transistor 50. You. The single electron transistor 60 for discharging is the single electron transistor 10.
The control clock is input to the gate electrode 64 of the single-electron transistor 60. The single electron transistor 10
A floating capacitor 31a is formed at a common connection point between the floating capacitor 31a and the single electron transistor 60.
【0043】これらの充放電用の単一電子トランジスタ
50,60は縦続接続された単一電子トランジスタ1
0,20からなる論理ツリーを充放電する。この論理ツ
リーの電源37の電圧は、増幅器となるCMOSインバ
ータ40の電源45の電圧よりも小さく設定することが
望ましく、この第3の実施の形態においては、電源37
の電圧を電源45の電圧の1/10とした。The single electron transistors 50 and 60 for charging / discharging are cascaded single electron transistors 1
The logic tree composed of 0 and 20 is charged and discharged. It is desirable that the voltage of the power supply 37 of this logic tree be set lower than the voltage of the power supply 45 of the CMOS inverter 40 as an amplifier. In the third embodiment, the power supply 37
Was set to 1/10 of the voltage of the power supply 45.
【0044】また、この第3の実施の形態においては、
単一電子トランジスタ10,20のゲート電極14,2
4への入力電圧の振幅は、CMOSインバータ40の電
源45の電圧と等しくなるように設定することが望まし
い。In the third embodiment,
Gate electrodes 14 and 2 of single electron transistors 10 and 20
It is desirable to set the amplitude of the input voltage to 4 to be equal to the voltage of the power supply 45 of the CMOS inverter 40.
【0045】そして、単一電子トランジスタ10,20
のゲート容量は、CMOSインバータ間に印加される電
位差すなわち電源45の電圧をVCMOSとすると、e/
(2VCMOS)となるように設計することが望ましい。な
ぜなら、単一電子トランジスタ10,20のゲート容量
をこのように設定することで、CMOSインバータ40
からの出力の振幅はe/(2Cg )に等しくなり、単一
電子トランジスタ10,20をON状態とOFF状態に
完全に切り替えながら動作させることが可能となるから
である。The single electron transistors 10 and 20
The gate capacitance, the voltage potential difference i.e. power source 45 is applied between the CMOS inverter and V CMOS, e /
(2V CMOS ). This is because by setting the gate capacitances of the single electron transistors 10 and 20 in this manner, the CMOS inverter 40
Is equal to e / (2Cg), and the single electron transistors 10 and 20 can be operated while being completely switched between the ON state and the OFF state.
【0046】この第3の実施の形態の集積回路装置の動
作のシミュレーション結果を図10に示す。図10にお
いて、グラフg1 は単一電子トランジスタ10,20の
ゲート電極14,24への入力電圧の波形を示し、グラ
フg2 は論理ツリーの出力ノード35の電圧波形を示
し、グラフg5 はCMOSインバータ40の出力、すな
わち本実施の形態の集積回路装置の出力の電圧波形を示
し、グラフg6 は単一電子トランジスタ60のゲート電
極64に入力される制御クロックの電圧波形を示す。FIG. 10 shows a simulation result of the operation of the integrated circuit device according to the third embodiment. In FIG. 10, a graph g 1 shows a waveform of an input voltage to the gate electrodes 14 and 24 of the single electron transistors 10 and 20, a graph g 2 shows a voltage waveform of an output node 35 of the logic tree, and a graph g 5 shows the output of the CMOS inverter 40, that shows the voltage waveform of the output of the integrated circuit device of this embodiment, the graph g 6 shows the voltage waveform of the control clock inputted to the gate electrode 64 of the single-electron transistor 60.
【0047】この図10に示すように、本実施の形態の
集積回路装置においては、制御クロックが“0”のとき
に、論理ツリーの出力ノード35に対してプリチャージ
が行われ(グラフg2 参照)、CMOSインバータ40
の出力は全て“0”に設定される。そして制御クロック
を活性化すなわち“1”にした後に単一電子トランジス
タ10,20のゲート電極14,24に入力電圧が与え
られれば、本実施の形態の集積回路装置の論理出力を得
ることができる(グラフg5 参照)。As shown in FIG. 10, in the integrated circuit device of the present embodiment, when the control clock is "0", the output node 35 of the logic tree is precharged (graph g 2). CMOS inverter 40)
Are set to "0". If an input voltage is applied to the gate electrodes 14 and 24 of the single electron transistors 10 and 20 after activating the control clock, that is, setting it to "1", a logic output of the integrated circuit device of the present embodiment can be obtained. (see graph g 5).
【0048】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば入力信号の振幅と出力信号の振幅が同じくなるように
構成できるため、単一電子素子を論理回路の構成素子と
して用いることができる。As described above, according to the present embodiment, the amplitude of the input signal and the amplitude of the output signal can be configured to be the same, so that a single electronic element can be used as a component of the logic circuit.
【0049】次に本発明による単一電子素子の集積回路
装置の第4の実施の形態の構成を図11に示す。この第
4の実施の形態の集積回路装置は、複数個の単一電子ト
ランジスタ711 〜7114からなる、4入力の排他的論
理和動作を行う論理ツリー70と、充電用の単一電子ト
ランジスタ721 ,722 と、放電用の単一電子トラン
ジスタ73と、CMOSインバータ40a,40bとを
備えている。排他的論理和回路70は4種類の相補入力
A,Aバー、B,Bバー、C,Cバー、D,Dバーに基
づいて1種類の相補出力Q,Qバーを出力するように構
成されている。そしてCMOSインバータ40a,40
bは上記相補出力の増幅器として使用される。なおφ,
φバーは制御クロックを示している。またCf,CFは
共通接続点の浮遊キャパシタを示している。FIG. 11 shows the structure of a fourth embodiment of the integrated circuit device having a single electronic device according to the present invention. The fourth embodiment of the integrated circuit device, comprising a plurality of single-electron transistor 71 1-71 14, the logical tree 70 for exclusive operation of the four-input, single-electron transistor for charging 72 1 and 72 2 , a single electron transistor 73 for discharging, and CMOS inverters 40 a and 40 b . The exclusive OR circuit 70 is configured to output one kind of complementary output Q, Q bar based on four kinds of complementary inputs A, A bar, B, B bar, C, C bar, D, D bar. ing. And CMOS inverters 40a, 40
b is used as the complementary output amplifier. Note that φ,
φ bar indicates the control clock. The C f, C F indicates the stray capacitor of the common connection point.
【0050】この排他的論理和回路70は、相補型電界
効果トランジスタによるロッジック・ファミリーの1つ
であるクロックド・カスコード・ボルテージ・スウイッ
チ・ロジック(L.G.Heller et.al.,
ISSCC Dig.Tech.Papers,198
4,p16)と類似の構成となっているためすべての論
理動作を行うことが可能である。ただし、MOSFET
の代わりに単一電子トランジスタを論理ツリー部に使用
しているため、より高度の集積化が可能となっている。
また、クロックド・カスコード・ボルテージ・スウイッ
チ・ロジックの論理ツリー部を単一電子トランジスタで
単に置き換えただけでは、正常に動作しないため、論理
ツリー70の電源37の電圧をCMOSインバータ40
a,40bの電源45の電圧よりも小さくしていること
に特徴がある。逆に、単一電子トランジスタと電界効果
トランジスタはその動作原理、ひいては動作特性が異な
るため、電界効果型トランジスタによる回路の電界効果
型トランジスタを単に単一電子トランジスタに置き換え
るだけでは、一般的に正常に動作しないが、クロックド
・カスコード・ボルテージ・スウィッチ・ロジックの論
理ツリーを単一電子トランジスタで置き換え、論理ツリ
ーの電源電圧を小さくすることで、論理回路を決めるこ
とは、単一電子トランジスタによる論理回路の設計の指
針を与えるものである。The exclusive OR circuit 70 is a clocked cascode voltage switch logic (LG Heller et. Al., One of the family of logics using complementary field effect transistors).
ISSCC Dig. Tech. Papers, 198
4, p16), so that all logical operations can be performed. However, MOSFET
Instead of using a single electron transistor in the logic tree section, higher integration is possible.
Further, simply replacing the logic tree portion of the clocked cascode voltage switch logic with a single-electron transistor does not operate normally. Therefore, the voltage of the power supply 37 of the logic tree 70 is reduced by the CMOS inverter 40.
It is characterized in that the voltage is lower than the voltage of the power supply 45 of the a and b. Conversely, single-electron transistors and field-effect transistors have different operating principles and, consequently, different operating characteristics. Therefore, simply replacing a field-effect transistor in a circuit with a field-effect transistor with a single-electron transistor generally works normally. Although it does not work, replacing the logic tree of clocked cascode voltage switch logic with single-electron transistors and reducing the power supply voltage of the logic tree to determine the logic circuit is a logic circuit using single-electron transistors It provides a guide for the design of
【0051】この実施の形態の集積回路装置の動作のシ
ミュレーション結果を図12(a)乃至12(d)に示
す。制御クロックφの波形を図12(a)に示し、単一
電子トランジスタのゲート電極の入力波形を図12
(b)に示し、論理ツリーの出力ノード35の電圧波形
を図12(c)に示し、本実施の形態の集積回路装置の
論理出力Q,Qバーを示す。FIGS. 12A to 12D show simulation results of the operation of the integrated circuit device according to this embodiment. The waveform of the control clock φ is shown in FIG. 12A, and the input waveform of the gate electrode of the single electron transistor is shown in FIG.
FIG. 12B shows the voltage waveform at the output node 35 of the logic tree, and FIG. 12C shows the logic outputs Q and Q bar of the integrated circuit device according to the present embodiment.
【0052】この図12(a)〜(d)から分かるよう
に、制御クロックφが“1”になった後、論理ツリー7
0に入力された入力信号A,B,C,Dに基づいて論理
動作を行っている。そして入力信号A,B,C,Dの振
幅と出力信号Q,Qバーの振幅が一致している。As can be seen from FIGS. 12A to 12D, after the control clock φ becomes "1", the logic tree 7
A logical operation is performed based on input signals A, B, C, and D input to 0. Then, the amplitudes of the input signals A, B, C, D and the output signals Q, Q coincide with each other.
【0053】上記第1乃至第4の実施の形態において
は、単一電子トランジスタを例にとって説明したが、単
一電子トランジスタの代わりに単一電子の帯電効果を利
用した単一電子素子を用いても全く同様の効果を得るこ
とができることは言うまでもない。In the first to fourth embodiments, a single-electron transistor has been described as an example. However, a single-electron element utilizing a single-electron charging effect is used instead of the single-electron transistor. Needless to say, the same effect can be obtained.
【0054】次に本発明による単一電子素子の集積回路
装置の第5の実施の形態の構成を図13に示す。この第
5の実施の形態の集積回路装置は、回路ブロック80の
出力を回路ブロック90の入力とするように構成したも
のである。このとき、回路ブロック80は第4の実施の
形態の場合と同様に、単一電子素子からなる論理ツリー
81と、この論理ツリー81と接地電源との間に設けら
れた放電用の単一電子素子82と、論理ツリー81と駆
動電源84との間に設けられた充電用の単一電子素子8
3a,83bと、論理ツリー81の出力を受けて増幅す
る増幅器85a,85bからなる増幅部85とを備えて
いる。FIG. 13 shows the structure of a fifth embodiment of the integrated circuit device having a single electronic device according to the present invention. The integrated circuit device according to the fifth embodiment is configured so that the output of the circuit block 80 is used as the input of the circuit block 90. At this time, as in the case of the fourth embodiment, the circuit block 80 includes a logic tree 81 composed of a single electronic element and a single electron for discharge provided between the logic tree 81 and the ground power supply. A single electronic element 8 for charging provided between the element 82 and the logic tree 81 and the driving power supply 84
3a and 83b, and an amplifying unit 85 including amplifiers 85a and 85b that receive and amplify the output of the logic tree 81.
【0055】また同様に回路ブロック90も単一電子素
子からなる論理ツリー91と、放電用の単一電子素子9
2と、充電用の単一電子素子93a,39bと、論理ツ
リー91の出力を受けて増幅する増幅器95a,95b
からなる増幅部95とを備えている。Similarly, the circuit block 90 includes a logic tree 91 composed of a single electronic element and a single electronic element 9 for discharging.
2, single electronic elements 93a and 39b for charging, and amplifiers 95a and 95b for receiving and amplifying the output of the logic tree 91
And an amplifying section 95 comprising:
【0056】そして、論理ツリー81の駆動電源84の
電圧は従来型の素子からなる増幅部85の電源87の電
圧よりも小さくなるように設定されている。ここで従来
型の素子とは、電界効果型トランジスタやバイポーラト
ランジスタ等を意味している。このため、第4の実施の
形態と同様に、回路ブロック90の入力(論理ツリー9
1の入力)の振幅と、回路ブロック80の出力(増幅部
85の出力)の振幅を同じにすることが可能となり、回
路ブロック80の出力を回路ブロック90の入力とする
ことができる。また回路ブロック90においても論理ツ
リー91の電源94の電圧は増幅部95の電源97の電
圧よりも小さくなるように設定されていることは言うま
でもない。The voltage of the drive power supply 84 of the logic tree 81 is set to be lower than the voltage of the power supply 87 of the amplifier 85 composed of conventional elements. Here, the conventional element means a field-effect transistor, a bipolar transistor, or the like. For this reason, similarly to the fourth embodiment, the input (logical tree 9) of the circuit block 90 is performed.
1) and the output of the circuit block 80 (the output of the amplifying unit 85) can be made the same, and the output of the circuit block 80 can be used as the input of the circuit block 90. Also in the circuit block 90, it goes without saying that the voltage of the power supply 94 of the logic tree 91 is set to be lower than the voltage of the power supply 97 of the amplification unit 95.
【0057】以上説明したように、単一電子素子からな
る論理ツリー81と、この論理ツリー81の出力を増幅
する従来型素子からなる増幅部85とを備えた回路ブロ
ック80において、論理ツリーの高い電源電圧と低い電
源電圧の差を、増幅部85の高い電源電圧と低い電源電
圧の差よりも小さくするように構成すれば、回路ブロッ
ク80の入力の振幅と出力の振幅を同じにすることが可
能となり、この回路ブロック80を集積回路に用いるこ
とができる。As described above, in the circuit block 80 including the logic tree 81 composed of a single electronic element and the amplification unit 85 composed of a conventional element that amplifies the output of the logic tree 81, the logic tree having a high logic tree If the difference between the power supply voltage and the low power supply voltage is configured to be smaller than the difference between the high power supply voltage and the low power supply voltage of the amplifier unit 85, the input amplitude and the output amplitude of the circuit block 80 can be made the same. This enables the circuit block 80 to be used for an integrated circuit.
【0058】これにより、例えば第5の実施の形態の回
路ブロック80の入力は、図14に示す第6の実施の形
態のように従来型の素子からなる回路の出力または単一
電子素子と増幅器からなる回路の出力を受けるように構
成することができる。また、図14に示す第6の実施の
形態のように回路ブロック80の出力を従来型素子への
入力または単一電子素子への入力とすることもできる。Thus, for example, the input of the circuit block 80 according to the fifth embodiment can be the output of a circuit composed of conventional elements or a single electronic element and an amplifier as in the sixth embodiment shown in FIG. Can be configured to receive the output of the circuit consisting of Further, as in the sixth embodiment shown in FIG. 14, the output of the circuit block 80 can be used as an input to a conventional device or an input to a single electronic device.
【0059】[0059]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、単
一電子素子を論理回路の構成要素として用いることがで
きる。As described above, according to the present invention, a single electronic device can be used as a component of a logic circuit.
【図1】本発明の単一電子素子の集積回路装置の第1の
実施の形態の構成を示す回路図。FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a first embodiment of an integrated circuit device having a single electronic element of the present invention.
【図2】第1の実施の形態の出力の振幅を入力の振幅の
1/10とした場合の動作のシミュレーション結果を示
すグラフ。FIG. 2 is a graph showing a simulation result of an operation of the first embodiment when the output amplitude is set to 1/10 of the input amplitude.
【図3】図1に示す集積回路装置の入力の振幅を出力の
振幅と同じにした場合の動作のシミュレーション結果を
示すグラフ。FIG. 3 is a graph showing a simulation result of an operation when the input amplitude of the integrated circuit device shown in FIG. 1 is made equal to the output amplitude;
【図4】第1の実施の形態の単一電子素子に更に制御ゲ
ートを設けた回路装置の構成図。FIG. 4 is a configuration diagram of a circuit device in which a control gate is further provided in the single electronic element according to the first embodiment.
【図5】図4に示す回路装置の入力の振幅を出力の振幅
と同じにした場合の動作のシミュレーション結果を示す
グラフ。5 is a graph showing a simulation result of an operation when the input amplitude of the circuit device shown in FIG. 4 is made equal to the output amplitude;
【図6】第1の実施の形態の変形例を示す単一電子素子
の集積回路装置の構成図。FIG. 6 is a configuration diagram of an integrated circuit device of a single electronic element showing a modification of the first embodiment.
【図7】本発明の第2の実施の形態の構成を示す回路
図。FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a second embodiment of the present invention.
【図8】第2の実施の形態の動作のシミュレーション結
果を示すグラフ。FIG. 8 is a graph showing a simulation result of the operation of the second embodiment.
【図9】本発明の第3の実施の形態の構成を示す回路
図。FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration according to a third embodiment of the present invention.
【図10】第3の実施の形態の動作のシミュレーション
結果を示すグラフ。FIG. 10 is a graph showing a simulation result of the operation of the third embodiment.
【図11】本発明の第4の実施の形態の構成を示す回路
図。FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration according to a fourth embodiment of the present invention.
【図12】第4の実施の形態の動作のシミュレーション
結果を示すグラフ。FIG. 12 is a graph showing a simulation result of the operation of the fourth embodiment.
【図13】本発明の第5の実施の形態の構成図。FIG. 13 is a configuration diagram of a fifth embodiment of the present invention.
【図14】本発明の第6の実施の形態の構成図。FIG. 14 is a configuration diagram according to a sixth embodiment of the present invention.
【図15】単一電子トランジスタの構成を示す模式図。FIG. 15 is a schematic view illustrating a configuration of a single-electron transistor.
【図16】単一電子トランジスタの等価回路図。FIG. 16 is an equivalent circuit diagram of a single-electron transistor.
【図17】単一電子トランジスタのソース・ドレイン電
流のゲート電圧依存性を示すグラフ。FIG. 17 is a graph showing the gate voltage dependence of the source / drain current of a single-electron transistor.
【図18】単一電子トランジスタのソース・ドレイン電
流のゲート電圧依存性を示すグラフ。FIG. 18 is a graph showing the gate voltage dependence of the source / drain current of a single-electron transistor.
【図19】単一電子トランジスタのソース・ドレイン電
流のゲート電圧依存性を示すグラフ。FIG. 19 is a graph showing the gate voltage dependence of the source / drain current of a single-electron transistor.
【図20】単一電子トランジスタに制御ゲートを設けた
素子の回路図。FIG. 20 is a circuit diagram of an element in which a control gate is provided in a single-electron transistor.
1 伝導島 2 ドレイン電極 3 ソース電極 4 ゲート電極 5,6 トンネル接合 7 ドレインキャパシタ 8 ソースキャパシタ 9 ゲートキャパシタ 10 単一電子トランジスタ 11 伝導島 12 ドレイン電極 13 ソース電極 14 ゲート電極 15,16 トンネル接合 17 ドレインキャパシタ 18 ソースキャパシタ 19 ゲートキャパシタ 20 単一電子トランジスタ 21 伝導島 22 ドレイン電極 23 ソース電極 24 ゲート電極 25,26 トンネル接合 27 ドレインキャパシタ 28 ソースキャパシタ 29 ゲートキャパシタ 33 負荷キャパシタ 35 出力ノード 40 CMOSインバータ(増幅器) 43 出力ノード 45 駆動電源 47 負荷キャパシタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conducting island 2 Drain electrode 3 Source electrode 4 Gate electrode 5,6 Tunnel junction 7 Drain capacitor 8 Source capacitor 9 Gate capacitor 10 Single electron transistor 11 Conducting island 12 Drain electrode 13 Source electrode 14 Gate electrode 15,16 Tunnel junction 17 Drain Capacitor 18 Source capacitor 19 Gate capacitor 20 Single electron transistor 21 Conducting island 22 Drain electrode 23 Source electrode 24 Gate electrode 25, 26 Tunnel junction 27 Drain capacitor 28 Source capacitor 29 Gate capacitor 33 Load capacitor 35 Output node 40 CMOS inverter (amplifier) 43 output node 45 drive power supply 47 load capacitor
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/00 - 29/96 H01L 27/06 - 27/098 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 29/00-29/96 H01L 27/06-27/098 JICST file (JOIS)
Claims (2)
動作を行う論理ツリーを備え、 前記論理ツリーに供給される高い電源の電位と低い電源
の電位との電位差が前記論理ツリーの入力として前記単
一電子素子に入力される電圧の最大値と最小値の差より
も小さくなるように構成されていることを特徴とする単
一電子素子の集積回路装置。1. A logic tree comprising a plurality of single electronic elements and performing a predetermined logic operation, wherein a potential difference between a high power supply potential and a low power supply potential supplied to the logic tree is inputted to the logic tree. Wherein the difference between the maximum value and the minimum value of the voltage input to the single electronic element is smaller than that of the single electronic element.
づいて前記論理ツリーを充放電する充放電回路を備えた
ことを特徴とする請求項1記載の単一電子素子の集積回
路装置。2. The integrated circuit device according to claim 1, further comprising a charging / discharging circuit comprising a single electronic element and charging / discharging the logical tree based on a control clock.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22819098A JP2923506B1 (en) | 1998-08-12 | 1998-08-12 | Single electronic device integrated circuit device |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP2923506B1 true JP2923506B1 (en) | 1999-07-26 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|---|
KR100964141B1 (en) | 2007-10-04 | 2010-06-16 | 충북대학교 산학협력단 | Multiple-valued SET Logic Circuits |
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