JP3290452B2 - 負性抵抗型双安定回路とその負性抵抗の制御方法 - Google Patents

負性抵抗型双安定回路とその負性抵抗の制御方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、負性抵抗をもつ双安定
回路とその負性抵抗の制御方法に関し、シリコン半導体
基板上にモノリシックに回路を製作するのに好適なもの
である。
【0002】
【従来の技術】負性抵抗特性を有する半導体素子はアナ
ログ動作、或いはその双安定状態を利用してメモリ動作
などを行わせるなど電子回路の構成上非常に重要な役割
を果たしている。これらの負性抵抗を有する半導体素子
としてはトンネルダイオード、サイリスタ、MIM(Me
tal insulator Metal Diode )などが知られているが、
これらはサイリスタを除いて基本的には2端子素子であ
り、その負性抵抗特性を外部から目的に合わせて制御す
ることは困難である。これらのうちサイリスタは電流制
御型の負性抵抗を持つ素子であるため、直流電圧バイア
スが印加されているときに素子をオフにするのに回路上
の工夫を要する。
【0003】電圧制御型の負性抵抗を持つ素子として
は、上記の素子以外に、「特開平2−44758」に記
載されているものがある。これは、等価的にバイポーラ
トランジスタとJ−FETを組み合わせたもので、商品
名「BANBIT」としてサンプル出荷された。しか
し、市場の反響は全くなく、現在量産されていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、電圧制
御型の負性抵抗を持つ素子は、一般に図5に示す特性を
持ち、定電流負荷若しくは抵抗負荷をつなぐことで、単
体で容易に双安定回路を作ることができるという大きな
利点がある。しかし、近年ではIC化が著しく色々の回
路をシリコン基板にモノリシックに製作して小形化軽量
化し、また、回路をモジュール化して設計上の負担を軽
減するようになってきている。電圧制御型の負性抵抗を
持つ素子についてもディスクリート部品として用いるだ
けでなく、シリコン基板にモノリシックに製作し得るこ
とが重要になってくる。このとき、負性抵抗領域の素子
設計の容易性,製造プロセスとのコンパティビリティな
どが要求される。特に、ディジタル回路に用いる場合、
CMOSプロセスとの相性が重要な点になっている。上
述の電圧制御型の負性抵抗を持つ素子では、このような
要求を満たすには至っていない。
【0005】また、最近では、超格子構造のトランジス
タ、或いは共鳴トンネリングトランジスタなどでこのよ
うな負性抵抗素子を作る試みもなされている。これら
は、高度の薄膜作成技術を要し、シリコン基板にモノリ
シックに製作する上での難点となっている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の負性抵抗型双安定回路は、キャリア制御電
極と、このキャリア制御電極に制御されるキャリアが流
出するキャリア出力電極と、キャリアが流入するキャリ
ア入力電極とを有した第1のトランジスタ(バイポーラ
トランジスタ,MOSFETなど)及び第1のトランジ
スタと同じキャリアで動作する第2のトランジスタ(バ
イポーラトランジスタ,MOSFETなど)を備え、第
1のトランジスタのキャリア制御電極と第2のトランジ
スタのキャリア出力電極を接続して制御入力とし、第1
のトランジスタのキャリア出力電極と第2のトランジス
タのキャリア制御電極を接続して制御出力とし、第1の
トランジスタのキャリア入力電極と第2のトランジスタ
のキャリア入力電極を接続して制御入力及び制御出力の
コモンとしたことを特徴とする。
【0007】また、本発明の負性抵抗の制御方法は、上
述の負性抵抗型双安定回路について、制御入力とコモン
との間に所定のバイアス電流を流して制御出力とコモン
との間で負性抵抗が発生する電圧を調節することを特徴
とする。
【0008】ここで、第1のトランジスタ及び第2のト
ランジスタがMOSFETであることを特徴としても良
い。
【0009】さらに、第1のトランジスタ及び第2のト
ランジスタがバイポーラトランジスタであることを特徴
としても良い。
【0010】
【作用】本発明の負性抵抗型双安定回路では、制御入力
にある一定のバイアス電流を流している場合、制御出力
−コモン間の電圧をゼロから徐々に増加すると、第2の
トランジスタは初めはオフであるため、第1のトランジ
スタのキャリア出力電極−キャリア入力電極間の電流電
圧特性にしたがって制御出力に流れる電流が増加する。
第2のトランジスタがそのバイアス電流に対するキャリ
ア出力電極−キャリア制御電極の電圧特性にしたがって
バイアス電流に対しそのキャリア出力電極を低下させる
程度に制御出力−コモン間の電圧が大きくなると、第1
のトランジスタのキャリア制御電極−キャリア入力電極
間の電圧は低下しはじめ、第1のトランジスタのキャリ
ア出力電極−キャリア入力電極間の電流電圧特性にした
がって制御出力に流れる電流が減少する。ついには第1
のトランジスタのリーク電流程度の非常に小さな値にな
る。
【0011】本発明の負性抵抗の制御方法では、所定の
バイアス電流をあたえることで第2のトランジスタがそ
のキャリア出力電極を低下させる制御出力−コモン間の
電圧が調節されている。
【0012】ここで、第1のトランジスタ及び第2のト
ランジスタをMOSFETとした場合、第1のトランジ
スタのキャリア出力電極−キャリア入力電極間の電流電
圧特性はそのゲート長及びゲート幅で調節でき、第2の
トランジスタのバイアス電流に対するキャリア出力電極
−キャリア制御電極の電圧特性もそのゲート長及びゲー
ト幅で調節できるため、制御出力に流れる電流及びそれ
が低下し始める制御出力−コモン間の電圧に自由度を持
たせ得る。
【0013】
【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図1の負性抵抗型双安定回路は、トランジスタ両方をN
チャンネルMOS型電界効果トランジスタ(MOSFE
T)Tr1,Tr2で構成されたもので、通常のCMOSプ
ロセスをそのまま使って1.2μmルールで製作されて
おり、制御入力端子B,制御出力端子C,制御入力及び
制御出力のコモン端子Eが設けられている。制御入力端
子Bには、MOSFETTr1のゲート(キャリア制御電
極)とMOSFETTr2のドレイン(キャリア出力電
極)が接続され、制御出力端子Cには、MOSFETT
r1のドレイン(キャリア出力電極)とMOSFETTr2
のゲート(キャリア制御電極)が接続され、コモン端子
Eには、MOSFETTr1のソース(キャリア入力電
極)とMOSFETTr2のソース(キャリア入力電極)
が接続されている。
【0014】この回路は、つぎのような動作によって負
性抵抗特性を示す。制御出力端子C−コモン端子Eの電
圧VCEは図1に示されているようにMOSFETTr2
ゲート電圧であり、この電圧がMOSFETTr2の閾値
電圧VT2より小さい範囲においては、MOSFETTr2
はOFF状態にある。このため、制御入力端子Bに一定
の電流IB を流すと、MOSFETTr2のドレイン−ソ
ース間に、MOSFETTr2のOFF抵抗及び電流IB
によって決まる電圧が発生する。この電圧は、MOSF
ETTr1のゲート電圧となっている。MOSFETTr1
のゲート電圧がMOSFETTr1の閾値電圧VT1よりも
高ければ、電圧VCEの上昇にしたがって制御出力端子C
に流れる電流IC は増大する。電圧VCEが増大してMO
SFETTr2の閾値電圧VT2を超えると、MOSFET
r2のドレイン−ソース間電圧、すなわちMOSFET
r1のゲート電圧は、電圧VCEすなわちMOSFETT
r2のゲート電圧と、電流IB とによって決まる値まで低
下し、これによって負性抵抗が現れ、電流IC と電圧V
CEは、図2に示す特性になっている。電圧VCEが十分に
大きくなると、MOSFETTr1のゲート電圧はMOS
FETTr1の閾値電圧VT1以下となり、MOSFETT
r1はOFF状態になる。このため、電流ICはMOSF
ETTr1のジャンクションリーク電流程度(バレー電流
は20nA程度になっている。)の小さなものになる。
なお、この回路の電流増幅率(電流IC /電流IB
は、12.4となっている。
【0015】この図からも明らかなように制御入力端子
Bへの電流IB を変えることにより、制御出力端子C−
コモン端子Eに生ずる負性抵抗の領域及びその大きさを
変化させることができる。通常の負性抵抗デバイスが2
端子素子であり、その負性抵抗を制御しえないが、この
図1の回路は制御入力端子Bを使って負性抵抗を制御し
得る点に大きな特徴がある。
【0016】また、制御出力端子Cに定電流負荷(例え
ば、1mA)を設け、電流IB を220μAとすると、
図2の特性図から電圧VCEが0.32Vと0.76Vの
2つの安定点を持つ双安定回路として動作する。また、
抵抗負荷の場合でも同様、図2の特性図において、所定
の電流IB のVCE−IC 曲線とその抵抗の負荷線とは2
つの交点をもち双安定回路として動作する。
【0017】この回路は、設計製造時の設定即ちプロセ
ス条件やレイアウト設計上の設計パラメータなどの設定
によって、図2の特性を自由に制御可能である。例え
ば、ピーク電流値をとる制御出力端子C−コモン端子E
の電圧VCE(ピーク電圧)については、MOSFETT
r2のW/L比(ゲート幅−ゲート長比)を変えると、M
OSFETTr2のドレイン特性が変わり、スレーショル
ド電圧が変わって、ピーク電圧VCEを変化させることが
できる。同時に、ピーク電流値IC も変えることができ
る。バレー電流については、MOSFETTr2のチャン
ネル幅を広げるとより小さくなる。さらに、素子のレイ
アウトによって非常に高速動作をさせることが可能であ
る。
【0018】
【0019】
【0020】このような回路では、通常の集積回路技術
(CMOSプロセス)とのコンパティビリティが良く高
集積化が可能になり、基板上に占める面積がバイポーラ
トランジスタと比較して非常に小さくなり、消費電力が
少なくなる、という利点がある。これは、SRAMへの
応用に向いている。また、新たな設備投資が不要で、製
造コストが低い、という利点がある。一方、電流増幅率
(電流IC /電流IB)を大きくとれない、電流駆動能
力が小さい、という欠点はあるが、これらは、プロセス
条件の設定または設計パラメータの変更によって、例え
ば、MOSFETTr1,Tr2のW/L比をかえることで
調節可能である。
【0021】上述の回路以外に、図3に示すような構成
をとることが可能である。
【0022】これら図3の回路はいずれも、制御入力端
子Bへ一定の電流IB を流した時、図4に示すような電
圧制御型の負性抵抗特性をしめす。図3(a)は、図1
の回路を構成するトランジスタの極性を変えたものであ
り前述の回路とほぼ同様の動作をする。図3(b),
(c)はバイポーラトランジスタのみで構成したもの
で、シリコンの場合ピーク電圧VCEはおよそ0.6Vの
一定の値になり、バレー電流は十分に小さくならず消費
電流が大きくなるが、高速動作になるという利点があ
る。
【0023】
【発明の効果】以上の通り本発明の負性抵抗型双安定回
路によれば、定電流負荷若しくは抵抗負荷をつなぐこと
で、容易に双安定回路を作ることができ、これを用いて
メモリなどを構成することができる。また、制御入力と
コモンとの間のバイアス電流にてこの双安定回路の安定
点を調節でき、第1のトランジスタ及び第2のトランジ
スタをMOSFETとした場合、負性抵抗型双安定回路
の特性に自由度を持たせ得るため、使用される設計条件
に応じて負性抵抗型双安定回路を応用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の負性抵抗型双安定回路をNチャンネル
MOSFETで構成したときの回路図。
【図2】図1の回路の特性図。
【図3】本発明の負性抵抗型双安定回路の他の構成例の
回路図。
【図4】本発明の負性抵抗型双安定回路の負性抵抗を表
す図。
【図5】負性抵抗素子の一般的特性図。
【符号の説明】
r1,Tr2…バイポーラトランジスタまたはMOSFE
T B…制御入力端子 C…制御出力端子 E…コモン端子

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 キャリア制御電極と、このキャリア制御
    電極に制御されるキャリアが流出するキャリア出力電極
    と、前記キャリアが流入するキャリア入力電極とを有し
    た第1のトランジスタ及び前記第1のトランジスタと同
    じ前記キャリアで動作する第2のトランジスタを備え、 前記第1のトランジスタのキャリア制御電極と前記第2
    のトランジスタのキャリア出力電極を接続して制御入力
    とし、 前記第1のトランジスタのキャリア出力電極と前記第2
    のトランジスタのキャリア制御電極を接続して制御出力
    とし、 前記第1のトランジスタのキャリア入力電極と前記第2
    のトランジスタのキャリア入力電極を接続して前記制御
    入力及び前記制御出力のコモンとし、 前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタが
    MOSFETであることを特徴とする負性抵抗型双安定
    回路。
  2. 【請求項2】 キャリア制御電極と、このキャリア制御
    電極に制御されるキャリアが流出するキャリア出力電極
    と、前記キャリアが流入するキャリア入力電極とを有し
    た第1のトランジスタ及び前記第1のトランジスタと同
    じ前記キャリアで動作する第2のトランジスタを備え、 前記第1のトランジスタのキャリア制御電極と前記第2
    のトランジスタのキャリア出力電極を接続して制御入力
    とし、 前記第1のトランジスタのキャリア出力電極と前記第2
    のトランジスタのキャリア制御電極を接続して制御出力
    とし、 前記第1のトランジスタのキャリア入力電極と前記第2
    のトランジスタのキャリア入力電極を接続して前記制御
    入力及び前記制御出力のコモンとし、 前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタが
    バイポーラトランジスタであることを特徴とする負性抵
    抗型双安定回路。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の負性抵抗型双安
    定回路について、 前記制御入力と前記コモンとの間に所定のバイアス電流
    を流して前記制御出力と前記コモンとの間で負性抵抗が
    発生する電圧を調節することを特徴とする負性抵抗の制
    御方法。
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